Химические источники тока

Сколько ХИТу лет?

Поиск ответа на этот вопрос, как это ни странно, переносит нас в Иракский музей, находящийся в Багдаде. Там, по крайней мере до недавнего американского вторжения, можно было увидеть небольшой (около 18 см высотой) незамысловатый глиняный кувшин овальной формы, найденный в древнем захоронении в окрестности Багдада. Содержимое кувшина вызвало в свое время (1936 г.) большой переполох в мире археологов и привлекло внимание физиков. Уолтер Уинстон (физик-консультант Британского музея), увидевший внутри кувшина медную трубу с одним закрытым концом, железный прут в ней и кусочки осыпавшегося битума, воскликнул: «Добавьте немного кислоты или даже уксуса в медный сосуд, и вы получите простой элемент, генерирующий электрический ток». Для того чтобы убедиться, что этот «хит» того сезона и вправду ХИТ, Уинстону недоставало еще кувшинов вокруг и проводов, соединяющих их в батарею. Не помешало бы обнаружить рядом и какие-либо другие изделия, подтверждающие электротехническое назначение сосуда. Позже подобные и не одиночные кувшины были обнаружены в парфянском городе Ктесинофоне, недалеко от Багдада. Однако проводов и тут не оказалось, а жаль!

Загадочный кувшин, названный «багдадской батарейкой», по мнению одних исследователей использовался вавилонскими врачами для местной анестезии (при отсутствии под руками обычно применяемого ими электрического ската), а по мнению других — для гальванизации металлов. Последнее применение косвенно подтверждается тем, что примитивные методы гальванического покрытия серебром медных ювелирных изделий до сих пор используются местными умельцами. Наследована ли эта «технология» со времен Парфянского царства или нет, в настоящее время может быть, на наш взгляд, проверено путем детального металлографического анализа структуры покрытий изделий, датируемых от 250 г. до н. э. — 250 г. н. э. Возможно в будущем, может быть удастся подтвердить и электрофизиологические использования «багдадской батарейки» путем расшифровки надписей и рисунков на древних табличках (если таковые еще уцелели).

Все же для обеих версий явно маловато напряжение на одном кувшине и их надо бы соединить последовательно, а проводов-то нет! Рискнем, в шутку (в которой, как известно, всегда есть доля истины) предложить, для раздумий читателей, еще несколько (может быть и не слишком-то оригинальных) гипотез применения этого загадочного кувшина.

Одиночный кувшин, в который заливалось вино, служил для гурманов особым яством: при питье непосредственно из него они испытывали дополнительное раздражение вкусовых нервов во рту слабым электрическим током (убедитесь в этом, лизнув небольшую батарейку). По крайней мере, как размеры сосуда, так и его возможное действие этому не противоречат.

Другой возможный вариант использования заправленного вином или уксусом, в который оно рано или поздно превращалось, одиночного кувшина это своеобразная электрохимическая обработка водных растворов. В последнем случае этот небольшой кувшин необходимо было «с головой» погрузить в жидкость, находящуюся в большем сосуде, которая просто замыкала на себя торчащие из горловины электроды. Наконец еще одно предположение будет представлено ниже, в связи с описанием демонстрационных опытов знаменитого Алессандро Вольта.

Спор Гальвани и Вольта

Научная дата рождения ХИТ относится все же не ко временам Парфянского царства двухтысячелетней давности, а к периоду с конца XVIII начала XIX веков н. э. ХИТ был рожден в результате спора двух знаменитых итальянских ученых прошлого: Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.

Гальвани, будучи заведующим кафедрой практической анатомии Болонского университета, в 1786 г. проводил серию опытов по изучению «спокойного» (т. е. в отсутствие грозы) атмосферного электричества на мышцы лягушки. Подвешивая на медном крючке свежепрепарированную лапку лягушки на железной решетке своего балкона, он долго ожидал ее реакции, но лапка не сокращалась ни при какой погоде. И вдруг, в одном из опытов, 26 сентября, лапка резко сократилась. Гальвани, со свойственной ему наблюдательностью экспериментатора, отметил, что причиной сокращения лапки послужило ее касание свисающим концом о балконную решетку, а отнюдь не атмосферные явления (хотя, как знать, может быть, вначале лапку все-таки качнул ветерок, приведя ее в решающее соприкосновение с решеткой).

Гальвани тут же принялся перепроверять полученный результат, поскольку отлично знал, что только строго контролируемые и воспроизводимые результаты могут иметь научную ценность.

Опыты были многократно повторены и на балконе, и на лабораторном столе в помещении. И всегда, как только образовывалась замкнутая цепь (которую мы бы сейчас назвали гальванической), состоящая из железа, меди (или других разнородных металлов) и лапки с нервом, лапка сокращалась. Гальвани стоял перед дилеммой поиска источника электричества: металлы или сама лапка лягушки. Он выбрал второе, более близкое ему по духу как медику, ошибочно истолковав результаты своего знаменитого «балконного опыта», но прозорливо предвосхитив существование биоэлектричества.

Алессандро Вольта, профессор физики университета в Павии и член Лондонского Королевского общества, в 1792 г. принялся тщательно изучать опубликованный Гальвани «Трактат о силах электричества при мышечном движении». Ставя, в отличие от Гальвани, количественные опыты с использованием электрометра собственной конструкции и значительно варьируя условия экспериментов, он приходит к выводу об отсутствии «животного электричества».

Источником электричества Вольта как физик провозгласил контакт разнородных металлов, считая, что лапка в «балконном опыте» Гальвани была всего лишь чувствительным электрометром. Этим он, как бы перечеркивает открытие Гальвани, но одновременно «на его костях», а точнее, лягушачьих лапках, делает новое, свое.

Чтобы продемонстрировать действие найденного источника электричества, Вольта берет две соединенные одними концами проволочки из олова и серебра и другими концами касается языка на кончике и чуть подальше. Когда кончика языка касаются серебром, то ощущается щелочной вкус, когда оловом — кислотный.

Вольта тут же интерпретирует это как изменение знака заряда с «плюса» на «минус» подводимого от пары металлов к кончику языка, являющегося неизменным индикатором. Поскольку все же электричество проходит через язык и вызывает разные реакции, то он задумывается над вопросом: не связана ли работа и других органов с электричеством, словно возвращаясь к «животному электричеству» Гальвани, но этот вопрос для него остается риторическим.

Для более эффектной демонстрации проявлений электричества Вольта устраивал настоящее шоу. Четыре человека образовывали друг с другом цепь так, что первый касался пальцем кончика языка соседа, следующий мокрым пальцем — глазного яблока своего другого соседа, двое остальных держались мокрыми пальцами один за спинку, а другой за лапку свежепрепарированной лягушки. Кроме этого, первый держал в другой мокрой руке цинковую, а последний — серебряную пластинку. После того как пластинки приводились в соприкосновение, у человека, кончика языка которого касались пальцем, возникало ощущение кислого вкуса, в глазу того, которого касались мокрым пальцем, возникало ощущение вспышки света и тут же сокращались лягушачьи лапки.

Эти опыты, проводимые с людьми-проводниками, позволяют предположить, что подобные «игры» могли происходить и в окрестностях Багдада 2000 лет тому назад: в «живую цепь» могла включаться описанная выше «багдадская батарейка» и не обязательно одна.

Несмотря на ясность сегодня многих проблем, связанных с природой электричества и его взаимодействием с живыми организмами, и в наши дни можно столкнуться с фактами явной профанации, рассчитанной разве что на полных невежд. Особенно это заметно по распространению «чудодейственных» электронных приборов для врачевания «от всего и вся».

Однако эта область использования электричества требует специального обсуждения, поэтому ограничимся простыми примерами. Талантами в области биоэлектричества журналисты в основном наделяют женщин.

В статье с безграмотным заголовком «Поцелуй напряжением в миллион киловатт», путая киловатты с киловольтами, рассказывалось о многих подобных «героинях». Одна из них без каких бы то ни было усилий пережигала любую электробытовую технику, попадавшую ей в руки и не включенную в сеть. А уж ее объятьям и поцелуям, которыми она одаривала мужа, позавидовал бы сам маркиз де Сад.

Летом 2003 г. в зарубежной прессе появилось сообщение о том, что в персинг на языке молодой девушки, отдыхавшей на о. Корфу, ударила молния (!), и она быстро пришла в себя. После этого друзья «пострадавшей» подшучивали над ней: «Она основательно подзарядила свой аккумулятор во время отпуска».

Интересная мысль… Жаль, что Э. Распэ, красочно описавший приключения знаменитого барона Мюнхгаузена, очевидно, не был знаком с электричеством, а то мы бы наверняка сейчас потешались над рассказом о том, как барон, восседая на туче во время летней грозы, визжал от удовольствия, полизывая сверкающие вокруг него молнии. Особое удовольствие ему доставляли те из них, которые влетали прямо в рот на его вытянутый язык. В гастрономических изысках барон тогда далеко бы превзошел французских гурманов: в конце обеда его гостям подавали бы в специальных вазочках замороженные шаровые молнии.

Рецепт приготовления этого фантастического блюда исчез вместе с загадочным бароном, и бедные физики до сих пор не могут его восстановить.

Вернемся, однако, к спору ученых XVIII в.

После ошеломительной критики со стороны Вольта, Гальвани ставит опыты, используя только один металл для замыкания цепи. На это Вольта замечает, что все равно условия на концах этого металла разные, так как там имеются различные части лапки лягушки, две части меди могут иметь разные примеси, может различаться температура этих концов и т. д.

В своей критике Вольта зашел слишком далеко, не заметив, что в новой серии опытов Гальвани все же имел дело именно с «животным электричеством». Однако реабилитация Гальвани, которого теперь по праву считают основателем электробиологии, последовала с запозданием на 100 лет после его исторического «балконного опыта». Вольта же на основе истолкования этого опыта и последующих экспериментов изобрел свой знаменитый «Вольтов столб», называемый до сих пор гальванической батареей. Вот уж поистине «невообразимы судьбы человеческие».

Современные ХИТ со всех сторон и изнутри

Пора в магазин или на поток за покупками…

Хотим купить «Крону», нам предлагают батарею на 9 V, на которой написано: 0 % Mercury, 0 % Cadmium, Jan 2000 (use before), MadeinE.U.

Р.Г. Варламов . Современные источники питания

Сотни миллионов разнообразных ХИТ с самыми различными характеристиками, фирменных и «левых» ежегодно обрушиваются на покупателя. Как не потонуть в этом море обозначений и красочных (но далеко не всегда достоверных) сведений? Проблема выбора здесь очень остра: цены отличаются в несколько раз, а при неверном выборе в лучшем случае устройство не заработает как надо, в худшем — может быть испорчено. За подробной информацией надо обратиться к справочникам или специалистам по конкретным устройствам. Здесь мы приведем лишь некоторые общие сведения.

Сосредоточимся на герметичных ХИТ для портативной аппаратуры, не рассматривая проточные топливные элементы и силовые источники большой мощности. Характеристики ХИТ и применяемую терминологию по возможности упростим до пользовательского уровня.

В простейшем случае ХИТ представляет собой два электрода различной природы, ионная проводимость между которыми обеспечивается электролитом, жидким или твердым. Один из электродов содержит окислитель, а другой — восстановитель. На отрицательном электроде при работе ХИТ восстановитель окисляется, и свободные электроны по внешней цепи переходят к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

Напомним, что за положительное (расчетное) направление тока во внешней цепи принимают движение условного положительного заряда. Этот заряд будет двигаться противоположно электронному току, т. е. от плюса к минусу во внешней цепи источника при его разрядке (работе).

Наиболее простыми и дешевыми являются первичные источники тока как бы однократного действия, в которых при работе (прерывистой или непрерывной) протекают необратимые (или частично обратимые) окислительно-восстановительные реакции. Эти источники — гальванические элементы, после исчерпания токообразующих реагентов подлежат замене. По поводу этих источников радиолюбители шутят: «Купил. Поставил. Поработал. Сели — выбрасывай и беги за новыми».

В гальванических элементах используют следующие электрохимические системы, аббревиатуры (или химические символы) которых используются при маркировке: Л (Li) — литиевые; МЦ (MnZn) — марганцево-цинковые; РЦ (HgZn) — ртутно-цинковые; СЦ (AgZn) — серябрено-цинковые.

Некоторые из гальванических элементов допускают относительно небольшое число циклов перезаряда. Примером могут служить алкалиновые (от англ. alkaline — щелочной) элементы. Их можно подзарядить, если корпус не имеет механических дефектов (выделяется газ!) и емкость снизилась не более чем наполовину.

Более сложными являются вторичные источники, которые создаются с обратимо работающими электродами. Это перезаряжаемые ХИТ, или аккумуляторы. Они допускают до тысячи циклов перезаряда (от дополнительного источника постоянного тока), восстанавливающих их работоспособность. В аккумуляторах используют следующие электрохимические системы: никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH); свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA); литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polimer).

Основными электрическими характеристиками ХИТ являются: напряжение на его зажимах, внутреннее (омическое) сопротивление и емкость. Напряжение на зажимах ХИТ зависит от типа и состояния его электрохимической системы и характера нагрузки.

При холостом ходе (разомкнутый источник) напряжение на нем равно его электродвижущей сипе (ЭДС); последняя характеризует работу, производимую химическими реакциями по разделению зарядов на электродах.

Внутреннее сопротивление характеризует потери в самом источнике при его работе. Емкость ХИТ — количество электричества (заряд) в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч), которое отдается при его разряде до заданного напряжения. Обратите внимание на то, что размерность «емкости ХИТ» кулон, а не кулон/Вольт = Фарад, как у «электрической емкости конденсатора», ибо это разные физические понятия.

Соединяя отдельные гальванические или аккумуляторные элементы в группы, последовательно для увеличения напряжения, параллельно для увеличения тока или смешанным образом, образуют соответствующие батареи. На радиожаргоне или в быту зачастую любой ХИТ называют просто батарейкой.

Конструктивно, гальванические элементы и аккумуляторы выпускают в трех видах исполнения: дисковые (так называемые «пуговичные» или «кнопочные»), цилиндрические («пальчиковые» или «стаканчиковые») и призматические («галетные», и т. п.). Корпуса батарей из них, как правило, имеют вид параллелепипеда, зачастую со скругленными гранями, например плоские батареи (рис. 1, а).

На УГО (условно-графических обозначениях) ХИТ, как правило, показывают полярность выводов (см. рис. 1, б, в). На конкретных схемах в программе EWB указывают рядом с ним позиционное обозначение компонента и величину ЭДС, например Е1 = 9 В (см. рис. 1, г).

Рис. 1. Химические источники тока:

а — внешний вид; б , в — УГО на принципиальных схемах; г — модельный компонент EWB

Общие сравнительные характеристики ХИТ таковы.

Солевые МЦ элементы наиболее дешевы, но их энергетические характеристики сильно зависят от скорости разряда, а напряжение существенно меняется за время разряда; срок их годности не превышает 5 лет с момента выпуска.

Щелочные МЦ элементы более стабильны и работоспособны; срок их сохранности (не работы) доходит до 10 лет.

Литиевые элементы имеют еще более высокие показатели по всем перечисленным параметрам.

Щелочные аккумуляторы в отличие от щелочных элементов обладают большей стабильностью рабочего напряжения. «Перезарядка» этих аккумуляторов может быть проведена за время от 16 ч до 1 ч (а для некоторых за 15 мин.). При хранении в разряженном состоянии они длительное время не теряют работоспособности: никель-металлогидридные — до 1 года, а никель-кадмиевые аккумуляторы (НКА) — до 10 лет. Последние пользуются большой популярностью у любителей портативных радиостанций, так как они переносят «ударные» нагрузки при работе в режиме передатчика. Радиолюбители ласково прозывают их «НКАшками». К основным недостаткам НКА относится «эффект памяти», заключающийся в уменьшении его полезной емкости при неполной разрядке. НКА необходимо периодически полностью разряжать.

Никель-металлогидридные аккумуляторы имеют более высокую емкость и значительно меньший «эффект памяти».

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более высокое напряжение, чем щелочные, и выпускаются, как правило, в виде батарей из 3 или 6 аккумуляторов, соединенных последовательно и соответственно с напряжением 6 и 12 В. Примером могут служить стартерные батареи для мотоциклов и автомобилей. Жизнь автолюбителей, особенно в зимний период, во многом разнообразится капризами этих батарей, особенно при неряшливой эксплуатации. Эти батареи нашли применение также в источниках бесперебойного питания, системах охраны и сигнализации.

Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое напряжение среди других ХИТ и наилучшие удельные характеристики. Однако они и дороже, так как обязательно (из-за возможного воспламенения электролита) оснащаются дополнительно устройствами защиты по току и напряжению от перезаряда. Этого недостатка лишены литий-полимерные аккумуляторы, но они имеют повышенное внутреннее сопротивление.

В последние годы появились компоненты, которые являются как бы гибридом ХИТ и конденсатора — ионисторы, они будут рассмотрены далее наряду с другими конденсаторами.

Перспективными являются также так называемые топливные элементы, в которых благодаря каталитической химической реакции генерируется электрическая энергия. Эти элементы для зарядки необходимо доливать, например, метанолом (метиловым спиртом), хотя исследователи с успехом угощали их этанолом, водкой и даже джином…

 

Резисторы и конденсаторы

Резисторы

Слово «резистор» происходит от английского Resistor, которое в свою очередь заимствовано из латыни: Resistere означает сопротивляться. Однако слова «резистор» и «сопротивление» не являются терминологическими синонимами в электронике, так как термин «резистор» определяет тип компонента, тогда как термин «сопротивление» характеризует только его значение как физической величины, измеряемой в омах. Так что во фразе: «используется резистор сопротивлением 1 Ом» тавтология отсутствует, и это отнюдь не «масло масляное».

О «сопротивлении» чашки чая

С понятием сопротивления вообще каким-то действиям и процессам вначале столкнулись в классической механике. Примечательна в этом смысле дискуссия между известными английскими физиками XIX в. Томсоном и Тэтом, с одной стороны, и Максвеллом, с другой.

В своем физическом трактате Томсон и Тэт утверждали, что «материя имеет врожденную способность сопротивляться внешним воздействиям…» На что Максвелл отреагировал так: «Действительно ли материя имеет какую-нибудь, будь то врожденную или благоприобретенную, способность сопротивляться внешним воздействиям? Разве всякая сила, действующая на тело, не производит то изменение в движении тела, которым определяется значение силы, как таковой? Следует ли обвинять чашку чая в обладании врожденной способностью сопротивляться подслащивающему влиянию сахара потому, что она упорно отказывается сделаться сладкой, если сахар действительно в нее не положен?». Казалось бы «инцидент исперчен», как говорил Маяковский, а точнее, для данного случая, засахарен. Однако известный советский ученый в области радиотехники, теории связи и передачи информации академик А. А. Харкевич, согласившись с первой частью замечаний Максвелла, нашел противоречие в ярком примере с чашкой чая. Ход его рассуждений был таков.

Вводя понятие «сопротивление», мы, в сущности, даем количественное выражение о взаимозависимости двух величин какого-либо явления, причем одна из них выступает как его причина, а другая — как следствие.

В электротехнике причиной выступают ЭДС, а следствием служат токи. Деля количественную меру причины на количественную меру следствия, получают количественную меру электрического сопротивления в омах. Для максвелловской чашки чая явление состоит в том, что чай становится сладким, если в него положить сахар. Количественной мерой причины этого является количество внесенного сахара (грамм). Следствие же состоит в получении сладости и его количественной мерой является концентрация сахара в водном растворе (грамм/см3). Деля, согласно определению, меры причины и следствия, получаем, что «сопротивление чашки чая подслащивающему действию сахара определяется ее объемом. Житейский смысл этого результата не требует комментариев» — заключает свои замечания А. А. Харкевич. Согласимся с ним, и в шутку назовем введенное понятие «кондитерским сопротивлением».

Заметим также, что наряду с электрическим сопротивлением, действуя по аналогии, в различных областях уже введены сопротивления: механические, акустические, гидравлические, магнитные и тепловые.

Вредно-полезные резисторы

Итак, основным электрическим параметром резисторов служит их номинальное сопротивление. Это сопротивление называют также «активным», когда резисторы «трудятся» в цепях переменного тока. Их «активность» — это необратимый перевод электрической энергии во внутреннюю с последующей теплоотдачей в окружающее пространство.

Согласно элементарной электронной теории нагрев металла при протекании по нему электрического тока происходит за счет передачи энергии, получаемой свободными электронами от поля, в столкновениях с кристаллической решеткой. Количественно рассеиваемая на резисторе активная мощность определяется законом Джоуля-Ленца: она прямо пропорциональна величине сопротивления резистора и квадрату протекающего через него тока.

Энергия, приводящая к нагреву проводников, поступает из электромагнитного поля распространяющегося вдоль них в окружающем пространстве. Ее часть, заходящая в глубь проводников, вызывает протекание в нем тока и соответствующие потери мощности. В высокочастотных полях эти токи протекают лишь в тонком поверхностном слое («скин-эффект»). Еще более сложные процессы происходят в СВЧ-полях, о чем будет рассказано дальше в разделе «В радиокухонном диапазоне».

Допустимая мощность рассеяния также является паспортной величиной резисторов. Когда это выделяемое тепло используется для пользы дела, например в паяльнике, то это хорошо, но зачем же напаивать кучи резисторов на материнскую плату? Ведь не для ее же украшений их цветовой маркировкой или чтобы потом еще поставить внутри вентилятор и использовать системный блок в качестве интеллектуального ультрамодного фена? Разумеется, нет.

Здесь мы встречаемся с обычным случаем, о котором в народе говорят: «Нет худа без добра». А «добро» вытекает из закона Ома: на резисторе происходит падение напряжения прямо пропорциональное величине сопротивления резистора и протекающему через него току.

На первый взгляд кажется, что это опять один вред, поскольку опять потери не мощности, так напряжения. Ан, нет. Это самый простой способ снизить питающее напряжение на других компонентах до необходимого уровня. Такие резисторы часто называют «гасящими», так как их включают между источником и нагрузкой последовательно. Они автоматически выполняют и ограничение тока в нагрузке (по закону Ома) и поэтому их называют также «токоограничивающими». Если подобный резистор сделать с изменяемой (переменной) величиной, то получится знакомый всем регулятор — реостат.

Перечисленными примерами, разумеется, не исчерпываются возможности использования резисторов, поскольку они гораздо обширнее, но не будем забегать вперед. Что же касается активных потерь мощности, то с этим придется смириться: без трения шин о дорожное покрытие обыкновенный автомобиль не повезет вас по горизонтальной дороге, а домашний холодильник нагревает помещение и зимой и летом (он будет это делать, даже если его дверцы держать открытыми!) — таковы законы природы.

Из чего делают резисторы и как их обозначают

Обычно, когда я громко выясняю, у кого горит резистор, инженер или техник робко отвечает: «Я только что поджарил свою схему…».

Роберт А. Пиз. Практическая электроника аналоговых устройств

Да, «рукописи не горят», но сгорают резисторы, нарушая работу устройств и выделяя удушливый запах гари и фенола. Обоняние не подведет радиолюбителя в критический момент, а уж постфактум черный цвет выдаст виновника: «На воре шапка горит». (Правда, часто резисторы становятся лишь первой жертвой, и истинного виновника неисправностей после этого еще предстоит отыскать.)

По используемым материалам и технологии изготовления различают резисторы постоянные углеродистые и бороуглеродистые, металлопленочные и металлоокисные, композиционные и проволочные. Естественно, что они отличаются своими характеристиками и внешним видом и обозначениями (рис. 2).

Рис. 2. Постоянные резисторы:

а — внешний вид;  б — УГО на принципиальных схемах при разной мощности; в — компонент EWB

При выборе резисторов в ответственных случаях учитывается до 15 различных параметров. Все зависит от конкретных целей.

Номинальное значение сопротивления резистора указывается производителем на корпусе изделия. Там же указывают и ряд других его характеристик. Для маркировки резисторов используют специальные кодировки: буквенно-цифровую, цифровую и цветовую.

При буквенно-цифровой кодировке указывают непосредственно значение сопротивления резистора, иногда ставят букву R, чтобы обозначить омы, или букву К, обозначающую килоомы. Здесь перечисленные буквы, поставленные за числом, являются его десятичными множителями (R = 1, К = 1000), а — перед или между числами, играют роль разделителя целой и дробной части. Например, 15R и 15К означают, что сопротивления этих резисторов равны 15 Ом и 15 кОм = 15 000 Ом соответственно, а для R15 и 1К5, аналогично 0,15 Ом и 1,5 кОм = 1500 Ом. Кроме этого, часто проставляют и допустимую мощность (см. рис. 2, б).

При чисто цифровой маркировке величина сопротивления резистора наносится тремя цифрами, из которых две первые показывают ее мантиссу, а третья служит показателем степени 10 для дополнительного множителя. Например, 150 означает 15 Ом, 151 это 150 Ом, 152 — 1500 Ом и т. д. Соответственно, на резисторе с сопротивлением 15 МОм увидим в этом коде: 156.

К цветовой кодировке прибегли в связи с миниатюризацией изделий. «Хотели как лучше, получилось как всегда». Вот резисторы с двумя видами цветовых колец-поясков: на одних их 4, на других — 5. Всего цветов 12, так что любимой присказки гимназистов про цвета в спектре радуги: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» (или «Как однажды Жак-звонарь головой разбил фонарь») явно не хватает для запоминания. Эта известная последовательность цветов использована, но перед ней еще цвета: серебристый, золотистый, черный и коричневый, а после нее — серый и белый. Красиво, нет слов, но, поди теперь, ломай голову над этими знаками, напоминающими древние цивилизации (схожая кодировка, но не резисторов, обнаружена у племен майя). Кому охота, пусть лезет в справочник, а проще взять в руки омметр да и измерить. Правда, получим только номинал сопротивления, но этого часто хватает для работы. О многом другом говорит их вид и размер. Ну да ладно, странно только, что в наш интеллектуально-просвещенный век не взяли на вооружение, например, электронные системы обычного штрих-кодирования, применяемые в любом супермаркете, автомобилестроении или на фотокассетах. Как говорится: «Сапожник без сапог».

Помимо постоянных резисторов для регулировок и подстроек используют переменные (рис. 3), в которых имеется подвижный контакт, перемещаемый по дуге окружности или по отрезку прямой.

Рис. 3. Переменные резисторы:

а — внешний вид; б — УГО; в — компонент EWB

Могут встретиться три случая зависимости величины сопротивления от угла поворота: линейная (А), логарифмическая (Б) и антилогарифмическая (В). Указанные буквы входят в маркировку отечественных переменных резисторов наряду с другими параметрами.

При конкретном применении резисторов необходимо обратить внимание на то, что номинальное значение сопротивлений указывается с допуском, выраженным в % от номинала. Для особо точных (прецизионных) резисторов допуск составляет ±0,001, а наиболее грубых ±30.

Кроме того, следует помнить, что для резисторов, выполненных из материалов с электронной проводимостью, их сопротивление будет расти по мере нагрева. Иногда и это надо брать в расчет, поэтому производители указывают соответствующий тепловой коэффициент сопротивления изделий.

Электрофизические характеристики полупроводниковых материалов зависят от внешних условий, сильно изменяющих в основном концентрацию носителей тока (электронов и дырок). Этим и воспользовались, создав специальные полупроводниковые резисторы.

Терморезисторы, называемые также термисторами, значительно уменьшают (в отличие от проводников) свое сопротивление с ростом температуры.

Варисторы также уменьшают свое сопротивление, но под действием приложенного напряжения.

Тензорезисторы изменяются в зависимости от механической деформации.

Магниторезисторы изменяют свое сопротивление под действием магнитного поля.

Это, конечно, все же «редкие птицы» среди большого семейства резисторов, но в нужном случае они могут быть очень полезны: «Хороша ложка к обеду», а здесь для каждого возможного блюда, случая припасена специальная «ложка» или «ложечка».

Конденсаторы

Слово «конденсатор» происходит от латинского condensare, означающего сгущать, уплотнять. История изобретения конденсаторов весьма поучительна и позволяет глубже понять физическую сущность, а, следовательно, и применимость на практике этого компонента электронных устройств.

Из родословной конденсатора

Не вдаваясь особо в туманную, как всегда, историю изобретения конденсаторов, укажем лишь, что рождение произошло в середине XVIII в.

Соборный декан в Померании фон Клейст, держа в одной руке медицинскую склянку с небольшим количеством ртути или винного спирта, вставил в нее гвоздь и наэлектризовывал его свободный конец. Прикосновение к гвоздю вызывало искры и сильные электрические удары. Это устройство назвали бутылкой Клейста.

Голландский физик Мушенбрек из г. Лейден провел аналогичные опыты со стеклянной банкой, заполненной водой и опять-таки гвоздем, один из концов которого был погружен в нее. Удар, полученный им в одном из опытов, он не соглашался повторить даже «ради короны Франции». Это устройство назвали лейденской банкой.

Аббат Нолле, ставший «придворным электриком», в обязанности которого входила организация увеселений двора Людовика XV с помощью электричества, в присутствии короля повторил опыт Мушенброка, но не на себе. Он образовал цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причем первый держал заряженную банку в руке, а последний, замыкая цепь солдат, касался торчащей из нее проволоки, извлекая искру. Реакция бравых гвардейцев была весьма сильной. От этой цепи солдат произошел термин «электрическая цепь». Хорошо, что энергии, накопленной в банке, было не достаточно для печальных последствий. Однако ее хватало, чтобы убить воробья, что впервые и осуществил этот «аббат». Поэтому его смело можно назвать первым в ряду изобретателей «электрического стула» и электрошоковых устройств.

Не трудно видеть, что первые изобретатели исходили из понятий «электрической жидкости», которую привычно разливали по разным сосудам…

Более детальные и продуктивные опыты провел Франклин, исследовавший роль диэлектрика (стекло), разделяющего обкладки: рука-гвоздь в лейденской банке. Вылив воду из заряженного конденсатора, он залил его новой водой и обнаружил, что он опять заряжен. Отсюда он сделал вывод о том, что заряды противоположных знаков «сидят» на двух поверхностях стекла. Ошибка Франклина была обнаружена только в 1922 г. Адденбруком. В специальном разборном конденсаторе он заменил стекло парафином и показал роль адсорбированной пленки воды в опыте Франклина.

Эта ошибка нисколько не умаляет многих других заслуг этого ученого и политического деятеля, и его следы мы видим не только на стодолларовой купюре: знаки «+» и «-» для разноименных электрических зарядов ввел именно Франклин. Однако и он не избежал проведения опытов над животными: «Самым крупным существом, которое нам удалось умертвить электрическим ударом, был довольно крупный цыпленок», — пишет Франклин в своих сочинениях.

Возвращаясь на научную стезю, особо следует отметить работы Фарадея по исследованиям различных диэлектриков, используемых в конденсаторах. Вообще Фарадей сделал много разных замечательных открытий, но вошел в парад знаменитых ученых, именами которых были названы единицы измерения, благодаря исследованиям диэлектриков. Да и сам этот термин ввел в физику Фарадей. Он смастерил специальный сферический конденсатор — два металлических шара — один внутри другого. Это — обкладки, а пространство между ними заполнял различными веществами и проводил измерения электрической емкости конденсатора. Не случайно поэтому, единице электрической емкости дано наименование «фарад».

Плоский конденсатор мы обнаруживаем в электрометре Вольта: его верхний ввод был выполнен из двух горизонтальных пластин, изолированных друг от друга лаком.

Блочно-пакетная конструкция конденсаторов в виде стопки чередующихся полосок металлической фольги, разделенных изоляционными слоями, была предложена русским электротехником П. Н. Яблочковым во второй половине XIX в. Им же были предвосхищены так называемые «электролитические конденсаторы».

Основные типы конденсаторов

Различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

В зависимости от того, какой материал использован в качестве диэлектрика, конденсаторы бывают: воздушными, бумажными, керамическими, пленочными и др. На рис. 4 представлены конденсаторы постоянной емкости.

Рис. 4. Конденсаторы:

а , в — внешний вид керамических и электролитических конденсаторов; б , г — УГО и компоненты EWB

Основными характеристиками конденсаторов являются: номинальная емкость, выражаемая в фарадах (Ф) и дольных единицах (мкФ, нФ, пФ и т. д.); допуск в процентах от номинального значения; максимальное допустимое напряжение. Общее число факторов, учитываемых при выборе конденсаторов, доходит до 18.

Номинальная емкость конденсаторов с указанием допуска, а также рабочее напряжение в основном проставляются на их корпусах. Однако в последние годы, цветовые художества появились и на конденсаторах. Геометрические же формы конденсаторов весьма разнообразны: диски, цилиндры, призмы и т. д. Весьма популярные танталовые сухие оксидные конденсаторы имеют каплеобразную форму, напоминая головастиков с двумя лапками.

Цветовые метки, это и кольца, и полосы, и пятна, и размещаются по-всякому. Так что «Палата № 6» здесь присутствует в полном составе. Хорошо еще, что иногда проставляется величина емкости: ее измерение все-таки сложнее, чем измерение сопротивления, хотя умельцы умудряются измерять небольшие емкости с помощью… радиоприемника (подумайте, как). Одно обнадеживает: электроника не стоит на месте, а бурно развивается.

Особо остановимся на электролитических конденсаторах (см. рис. 4, в, г), которые радиолюбители именуют «электролитами». Это полярные приборы. В них используется жидкий и твердый электролиты. Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде цилиндров, внутри которых размещается слоистый рулон из чередующихся лент: анод из алюминия, оксидированный его окисью, первый бумажный разделитель, катод из неоксидированного алюминия, второй бумажный разделитель. Вся конструкция помещается в корпус, в который добавляют электролит и герметизируют.

В конденсаторах с твердым электролитом вместо бумаги используется материя, пропитанная нитратом магния. Если размотать внутренний рулон конденсатора, то получится длинный плоский сэндвич с двумя выводами от анода и катода. Рассматривая этот сэндвич как обыкновенный плоский конденсатор с двумя обкладками, не трудно оценить его емкость по известным геометрическим размерам, приняв относительную диэлектрическую постоянную бумаги равной 2. Выполнив нехитрый расчет и сверившись с величиной емкости, проставленной на корпусе, увидим, что мы ошиблись на очень много порядков. Дело в том, что мы сделали принципиальную ошибку, приняв разделительную бумагу за разделяющий диэлектрик. На самом деле диэлектриком в электролитическом конденсаторе служит пленка оксида алюминия, а она гораздо тоньше, да и диэлектрическая постоянная у нее в десятки раз больше. Так что второй обкладкой служит поверхность электролита, соприкасающаяся с окисной пленкой (в рулоне с двух сторон).

Сам электролит и катод являются электродами (тоководами), как в первых конденсаторах: бутылках, банках. Наличие электролита внутри замкнутой полости приводит к тому, что если включить конденсатор на переменное напряжение, то вследствие обильного газовыделения он взорвется. Так что с «электролитами» надо обращаться осторожно.

Диэлектрик в электролитических конденсаторах выполняют также на основе оксидов тантала или ниобия, или ряда полупроводников. Емкости подобных конденсаторов могут достигать 0,5 Ф — это гигантская величина: Фарадей вряд ли поверил бы, что такие емкости возможны. Однако, как оказалось, это далеко не предел возможного. Вернемся теперь к упомянутой ранее комбинации конденсатор-ХИТ, названной ионистором.

Ионистор (по зарубежной терминологии — supercapacitor — суперконденсатор или ультраконденсатор — ultracapacitor) — это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред: электрода и электролита. (Здесь полезно поразмышлять над вышеупомянутыми опытами Франклина и Адденбрука.)

В качестве обкладок в ионисторе используются три типа материалов: активированный уголь, оксиды металлов и проводящие полимеры. Активированный уголь имеет большую объемную пористость, что позволяет достигнуть плотности емкости 10 Ф/см3 и выше. Ионисторы на основе активированного угля называют также двухслойными или DLC-конденсаторами (от англ. Double Layer Capacitor), поскольку заряд в них хранится в двойном электрическом слое, образующемся вблизи обкладки.

Ионисторы имеют емкости от единиц до нескольких тысяч фарад! Рабочее напряжение ионисторов разных типов составляет от 2,5 до 6,3 В. Энергия, запасенная в ионисторе при прочих равных условиях составляет 1/10 энергии никель-металлгидридной батареи. Батарея заряжается часами, а ионистор — за секунды. Батарея имеет ограниченное число циклов заряд-разряд, а ионистор — практически неограниченное. Конечно, и у ионисторов есть недостатки (напряжение падает при разряде, высок саморазряд и т. д.) и заменить все ХИТ они не могут, но в некоторых случаях они оказываются вне конкуренции или серьезной альтернативой.

В конденсаторах переменной емкости (рис. 5), служащих для настроек радиоприемников на определенную станцию, как правило, используются сдвоенные секциями подвижных (ротор) и неподвижных пластин (статор), разделенных воздухом.

Рис. 5. Конденсаторы переменной емкости:

а - внешний вид; б — УГО и компонент EWB

При повороте ротора на некоторый угол изменяется эффективная площадь (площадь перекрытия пластинами статора пластин ротора) и, следовательно, суммарная емкость системы. Форму пластин ротора выполняют так, чтобы зависимость емкости от угла поворота была прямо пропорциональной для емкости, длины волны или частоты.

В «подстроенных» конденсаторах («подстроечниках») используют два керамических диска, на противоположные стороны которых, путем «вжигания», нанесены тонкие серебряные обкладки в виде секторов (полукругов). Вращение одной обкладки относительно другой приводит к изменению емкости системы.

Еще один вид конденсаторов, так называемые «варикапы», являются разновидностью полупроводниковых диодов и будут рассмотрены вместе с последними. Аналогично поступим и с конденсаторными и электретными микрофонами, а также с пьезопреобразователями. Всему свое время.

 

Катушки индуктивности и трансформаторы

Катушки индуктивности

Согласно терминологическим словарям, катушка индуктивная — это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности и выполненный из провода, намотанного на каркас. Хотя наличие каркаса и не обязательно в контуре мощного радиопередатчика или ТВЧ-генератора, катушка, как правило, бескаркасная и выполняется из толстого медного посеребренного (подумайте зачем) провода (шины или трубки). Кроме того, катушка может быть и плоской спиралью, выполненной на печатной плате.

В приведенном выше определении, «катушка индуктивная» или, что то же самое, «катушка индуктивности», или, наконец, «индуктивная катушка» номинирован тип компонента (изделия) через его параметр «индуктивность». Называть изделие его свойством индуктивностью или, наоборот, параметр катушкой плохо и может привести к ошибкам. К сожалению, радиолюбители часто этим грешат: не следуйте подобному примеру.

Основополагающие работы по катушкам индуктивности провел впервые Майкл Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции. Фарадей использовал катушки в качестве электромагнитов и называл их соленоидами (от греческих слов, означающих трубка и вид). Практически одновременно с ним закон самоиндукции был открыт Джозефом Генри, по фамилии которого и была впоследствии названа единица индуктивности («генри»).

Электрическими характеристиками катушек индуктивности служат: значение индуктивности, максимальный ток, активное сопротивление провода обмотки. Для контурных катушек также важны: величина добротности, характеризующей потери энергии в катушке, собственная емкость и частотный диапазон использования.

В катушках индуктивности электромагнитная энергия запасается в виде магнитного поля, концентрирующегося внутри катушки. Индуктивность зависит от числа витков и общей геометрии катушки (рис. 6).

Рис. 6. Катушки индуктивности:

а — внешний вид; б — УГО; в — компоненты EWB

Магнитопровод (называемый в обиходе, в нарушение ГОСТ, сердечником), помещенный внутрь катушки, приводит к увеличению ее индуктивности пропорционально магнитной проницаемости материала, из которого он выполнен.

В подстраиваемых индуктивных катушках предусматривают возможность регулировки той части длины стержня из ферромагнетика, которая вводится внутрь катушки. Катушки индуктивности выполняют как одно-, так и многослойными. При изготовлении катушек индуктивностью от 100 мкГн до 100 мГн для областей низких и средних частот применяют чашечные ферритовые броневые магнитопроводы.

Одной из разновидностей катушек индуктивности является дроссель (от нем. Drossel — сокращать), используемый чаще всего как элемент фильтров выпрямителей. Индуктивности дросселей имеют типичные значения от 0,1 до 1 Гн.

Для устранения влияния внешних полей на работу катушки индуктивности или, напротив, полей их рассеяния на окружающие компоненты, катушки часто помещают в специальные экраны.

Катушки индуктивности могут быть одиночными или секционированными (с отводами). Несколько катушек индуктивности могут быть связаны также электромагнитными полями (взаимоиндукцией), образуя «связанные» контуры. Развитием подобных устройств являются трансформаторы.

Магнитные головки

Так называют небольшие катушки с магнитопроводом (сердечником, точнее — двумя С-образными полусердечниками), имеющим тонкий поперечный зазор, заполняемый твердым немагнитным материалом (например, бериллиевой бронзой). Это один из основных элементов разнообразной аппаратуры для магнитной записи и воспроизведения информации. Магнитное поле рассеяния вблизи зазора, взаимодействуя с движущимся в нем магнитным носителем, используется для записи, воспроизведения или стирания информации.

Магнитная запись была изобретена и впервые осуществлена датским инженером В. Паульсеном в 1898 г. В качестве носителя информации он использовал тонкую стальную проволоку; позже стали применять магнитные ленты и диски (гибкие и жесткие).

Ширина зазора у современной магнитной головки составляет 0,1…10 мкм. Сердечник изготавливают из специальных магнитно-мягких (не сохраняющих остаточную намагниченность) материалов: пермаллоя, сендаста или некоторых ферритов. Магнитный же носитель содержит слой магнитно-жесткого материала (например, магнитный порошок оксида железа или диоксида хрома), способного сохранять остаточную намагниченность. Для защиты от помех головки заключают в специальные экраны.

При записи сигнал в катушке создает соответствующее поле в зазоре, и оно намагничивает те участки носителя, которые к нему примыкают в данный момент. При воспроизведении, наоборот, эти участки, двигаясь в области зазора, создают в нем магнитное поле, характеристики которого несут информацию о создавшем их ранее сигнале при записи. В результате электромагнитной индукции в обмотке головки наводится ЭДС, являющаяся сигналом воспроизведения информации.

В зависимости от назначения различают аудио- и видеоголовки (рис. 7).

Рис. 7. Магнитные головки:

а — аудио;  б — видео; в — УГО

Конструкции головок очень разнообразны, например, для обеспечения записи стереозвука универсальная головка имеет четыре рабочих зазора.

Головки характеризуют числом витков обмотки, шириной рабочего зазора и шириной дорожки, резонансной частотой, амплитудой тока записи и выходным напряжением воспроизведения, магнитной проницаемостью и индукцией насыщения.

В настоящее время, помимо чисто магнитных (индукционных) устройств, применяют и более сложные магнитоэлектронные головки (магнитооптические, магниторезистивные, магнитодиоды, элементы Холла и Виганда). Особый интерес представляют миниатюрные тонкопленочные магнитные головки, изготовляемые по интегральной технологии.

Трансформаторы

Электрический трансформатор (от лат. transformare — преобразовывать) является статическим (без подвижных частей) электромагнитным аппаратом, предназначенным для преобразования одного переменного напряжения в другое той же частоты.

Простейший трансформатор представляет собой две индуктивные катушки (обмотки), связанные своими магнитными полями через общий (замкнутый) магнитопровод. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного синусоидального напряжения некоторой частоты (например, 50 Гц), то переменный ток, протекающий по этой обмотке, создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток, также изменяющийся по синусоидальному закону с той же частотой. Этот переменный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней переменную ЭДС той же частоты.

В зависимости от отношения числа витков первичной и вторичной обмоток, которое называется коэффициентом трансформации, могут встретиться три случая. Величина наведенной ЭДС может быть меньше первичного напряжения — понижающий трансформатор (число витков первичной обмотки больше, чем вторичной), больше его — повышающий трансформатор (обратное соотношение числа витков) и, в частном случае, равна ему — разделительный трансформатор. По назначению и в зависимости от конструктивных особенностей различают трансформаторы: силовые, согласующие, выходные, импульсные, измерительные и др. (рис. 8).

Рис. 8. Трансформаторы:

а — внешний вид; б — УГО; в — компоненты EWB

Трансформаторы малой мощности делятся по конструктивному выполнению магнитопроводов на три группы: броневые, стержневые и тороидальные. Броневые и тороидальные трансформаторы применяются на частотах 50…1000 Гц, тороидальные — на частотах 400 Гц-100 кГц и выше. На частотах до 1кГц трансформаторы выполняют одно- и трехфазными, а выше преимущественно однофазными.

Магнитопроводы трансформаторов имеют различную геометрическую форму и выполняются из различных материалов. Из тонких листов специальной трансформаторной стали, Ш-образной формы, часто выполняют силовые трансформаторы для источников вторичного электропитания. Магнитопроводы согласующих и выходных (для подключения громкоговорителей) трансформаторов, работающих в диапазоне частот до 35 кГц, для уменьшения потерь на нагрев магнитопровода в высокочастотных полях выполняют тороидальной формы из пермаллоевой ленты или полуколец спеченного феррита.

В ряде устройств, прямо на печатную плату, монтируют специальные (залитые компаундом на основе полимерных смол) так называемые «залитые трансформаторы», а также «сверхплоские трансформаторы».

При выборе трансформаторов необходимо учитывать допустимые токи и напряжения, полную мощность (В·А), потребляемую из сети, и активную мощность (Вт), которую он может передать в нагрузку. Следует также обращать внимание на диапазон рабочих частот, маркировку обмоток и выводов (особенно у многообмоточных трансформаторов).

При эксплуатации трансформаторов приходится учитывать ряд их особенностей. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора снижается с увеличением мощности, потребляемой от него в нагрузке.

Трансформаторы создают помехи, поэтому надо принимать необходимые меры по экранировке и правильному их размещению относительно других устройств. При монтаже трансформаторов надо следить, чтобы никакие стяжки и крепления не превратились в короткозамкнутые витки. Поскольку трансформаторы нагреваются при работе, то наряду с другими компонентами для них может потребоваться также обдув воздухом от вентилятора.

 

Электровакуумные приборы

Радиолампы

Наиболее существенные успехи при зарождении радиоэлектроники в 1920–1930 годы прошлого века связаны с ламповой техникой. Сами же радиолампы (точнее, электронные лампы) ведут свою историю от еще более ранних открытий Эдисона, Томсона и Флеминга, приведших к созданию электровакуумного диода с катодом в виде нити накаливания и изобретения американским инженером и ученым Ли де Форестом трехэлектродной лампы (триода) в 1907 г. Именно введение управляющего электрода в виде сетки, размещаемой между катодом и анодом, позволило создавать радиоэлектронные устройства с самыми разнообразными характеристиками и назначением.

В зависимости от функционального назначения различают электронно-управляемые лампы: выпрямительные, усилительные, генераторные и модуляторные; по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности — маломощные, мощные и сверхмощные.

Независимо от назначения любая радиолампа состоит из баллона (колбы), системы электродов и системы вводов. Баллон может быть стеклянным, керамическим и металлокерамическим (рис. 9).

Рис. 9. Радиолампы:

а — внешний вид;  б — УГО триода и компонент EWB

В процессе производства из баллона откачивают воздух до разрежения примерно 10-6 мм рт. ст.

Основными электродами двухэлектродной лампы (диода) являются катод и анод.

Катод служит источником электронов, получаемых за счет термоэлектронной эмиссии. Различают катоды прямого и косвенного накала; в последних специальные вещества, легко эмитирующие электроны, наносят на наружную по отношению к нити накала поверхность.

Анод является приемником электронов, попадающих на него при подаче положительного потенциала относительно катода. На аноде при ударах электронов рассеивается определенная мощность, приводя к его нагреву. Поэтому в лампах малой и средней мощности анод изготавливают их никеля, тантала, стали или молибдена, а в мощных и сверхмощных устройствах дополняют системой принудительного охлаждения (воздушного или водяного). Геометрическая форма анода может быть самой разнообразной: от простейшего цилиндра до сложной «оребренной» поверхности.

Выпрямительные диоды называют кенотронами. В одном баллоне могут размещаться два анода, что удобно при использовании схем двухполупериодного выпрямления. Основными характеристиками кенотронов являются обратное напряжение и рабочий ток. Для детектирования токов высокой частоты используют специальные детекторные диоды.

В триодах между катодом и анодом размещают управляющий электрод, обычно имеющий форму сетки (рис. 9, б). Сетка размещается ближе к катоду, благодаря чему малые потенциалы на ней относительно катода (сравнительно с большим потенциалом анода, но помещенным дальше), дают возможность управления анодным током. В частности, это дает эффект усиления сигналов. Триод, как и диод, также может быть сдвоенным.

Анодно-сеточная характеристика триода (зависимость анодного тока от напряжения на сетке при определенных анодных напряжениях) имеет угол наклона к оси абсцисс, характеризующий ее «крутизну»: чем больше крутизна, тем больше усиление, даваемое лампой. Эти характеристики заходят и в отрицательную область сеточных напряжений, что не удобно при использовании ламп.

В тетродах — четырехэлектродных лампах, для устранения этого недостатка используется (по предложению А. Хелла в 1924 г.) еще одна экранная сетка. Однако в них начинает развиваться динатронный эффект — выбивание вторичных электронов из анода первичными, что ухудшает характеристики лампы. Поэтому создали пентод — лампу с двумя экранными сетками.

Для схемотехнического удобства при преобразовании сигналов были созданы различные комбинированные лампы, например триод-пентод или триод-гептод (имеющий пять сеток), и другие варианты.

Этот процесс усложнения отдельного компонента приостановился за счет развития полупроводниковых устройств. Трудно себе представить даже простейший однокристальный микропроцессор, если бы его удалось сделать в одном баллоне по электровакуумной, а не твердотельной технологии, а о персональных компьютерах можно было бы и не мечтать.

Магнетрон

К особому типу электровакуумных приборов относится магнетрон, в котором анод и катод являются коаксиальными цилиндрами, образующими для радиального потока электронов сложный объемный электромагнитный резонатор, помещенный в постоянное магнитное поле.

Термин «магнетрон» является транслитерацией слова magnetron, образованного из слов MAGNET — магнит + electRON — электрон, и введен, очевидно, в 1921 г. американским изобретателем А. Хеллом при описании магнетронного генератора электромагнитных колебаний. На магнетронах были основаны первые радиолокационные устройства. Оценивая это изобретение, английский ученый и писатель Ч. Сноу писал, что причаливший к берегам Америки перед Второй мировой войной корабль доставил туда груз в виде черного чемоданчика, заключавшего в себе три предмета. Ценность этого груза превышала все, что когда-либо доставлялось на континент со времен Колумба. Однако это не были драгоценности или произведения искусства: одним из таинственных и бесценных предметов был магнетрон. Сейчас киловаттный магнетрон — это обыденный предмет, находящийся внутри кухонной микроволновки.

В предвоенные годы в СССР были выполнены основополагающие работы в этой области. Идея радиолокации была высказана советским ученым П. К. Ощепковым. В 1934–1935 гг. под руководством С. А. Зусмановского был создан двухщелевой магнетрон мощностью около 1 кВт. Многорезонаторные магнетроны оригинальной конструкции, идея которых была предложена М. А. Бонч-Бруевичем, были изготовлены инженерами Н.Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым в 1936–1937 гг.

На рис. 10, а показан общий вид магнетрона от бытовой СВЧ-печи, а на рис. 10, б, в разрезы более мощного специального магнетрона с перестраиваемой частотой.

Рис. 10. Магнетроны:

а — общий вид магнетрона от бытовой СВЧ-печи; б , в — разрез и вид в поперечном сечении систем резонаторов специального магнетрона: 1 — резонаторы анодного блока; 2 — коаксиальный резонатор; 3 — щели, соединяющие резонаторы анодного блока с коаксиальным резонатором; 4 — поршень коаксиального резонатора для перестройки частоты; 5 — окно для вывода мощности колебаний СВЧ; 6 — катод; 7 — полюсные наконечники магнита

Колебания электронного потока (во времени и в пространстве) в резонаторе приводят к генерированию электромагнитных волн в диапазоне от миллиметровых до метровых (в зависимости от геометрии системы). Излучение волн во внешнее пространство осуществляется через антенный вывод, который в бытовом магнетроне представляет собой пакетированную систему: снаружи «штенгеля» (запаянной стеклянной трубки, через которую откачивался воздух в процессе изготовления) надет цилиндр из «радиопрозрачного» фарфора, заканчивающийся медным колпачком (см. в верхней части рис. 10, а) высотой около 1,5 см. Колпачок соединен со связками внутри анодного блока магнетрона специальной петлей связи, проходящей внутри «штенгеля».

Магнетроны, используемые в бытовых СВЧ (микроволновых) печах имеют мощность порядка 1 кВт; их КПД доходит до 85 %. Для питания подобного магнетрона используется высоковольтный выпрямитель с напряжением около 4 кВ.

Электронно-лучевые приборы

Кинескоп — игрушка дорогая.

М. Гук. Аппаратные средства IBM PC

Электровакуумные приборы приобретают особые свойства, если поток термоэлектронов сконцентрировать в виде луча или пучка лучей.

В электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) катодный узел, размещаемый в ее горловине, называют электронным прожектором, или пушкой (рис. 11).

Рис. 11. Электронно-лучевая трубка:

а — кинескоп; б — схема ЭЛТ ( 1 — электронная пушка; 2 — отклоняющие катушки; 3 — анод; 4 — электронный луч)

Конструкции прожекторов могут быть достаточно сложными, например пентодными. Далее по ходу луча следует отклоняющая система — электростатическая или электромагнитная (дополнительное внешнее устройство) и приемник электронов — экран. Колбу трубки чаще всего делают из стекла и внутри покрывают слоем графита («аквадага»), от которого выводят контактный электрод. Экран трубки в простейшем случае — это покрытое люминофором ее дно. При попадании электронного пучка на люминофор возбуждается его свечение (электролюминесценция). Светоотдача, время послесвечения и его цвет зависят от свойств люминофора.

Различают осциллографические трубки, используемые для регистрации быстропротекающих электрических процессов, индикаторные — для радиолокации, а также телевизионные кинескопы и передающие трубки, и дисплеи мониторов персональных компьютеров.

В осциллографических трубках для получения изображения к горизонтально отклоняющим пластинам подводится пилообразно изменяющееся напряжение — напряжение развертки, а к вертикально отклоняющим — напряжение исследуемого сигнала (прошедшего через канал усиления).

В зависимости от скорости развертки по горизонтали (измеряемой временем на одно деление шкалы), характеристики сигнала, усилителя и чувствительности отклоняющей системы на экране возникает та или иная картина. В приборах, использующих эти трубки — электронно-лучевых осциллографах (осциллоскопах) — имеются соответствующие регулировки. Для одновременного наблюдения на экране различных сигналов используют многолучевые трубки.

Кинескоп — приемная ЭЛТ, был изобретен в США в 1929 г. В. К. Зворыкиным, эмигрировавшим после революции из России ученым. Он же и там же, в 1932 г., изобрел и первую передающую телевизионную трубку иконоскоп (от греч. eikón — изображение и sкорéо — смотрю, рассматриваю). «Как хорошо, что Зворыкин уехал, и телевиденье там изобрел…», — пел по этому поводу Б. Окуджава.

В кинескопе для получения телевизионного изображения используется растровая развертка, при которой луч прочерчивает горизонтальные строки (строчная развертка) с одновременным их смещением по вертикали (кадровая развертка). Яркость свечения автоматически управляется телевизионным сигналом, подаваемым на катод (модулятор) после его обработки в телевизионном приемнике.

Для получения цветного изображения используют принцип пропорционального смешения цветов. Кинескоп выполняют с трехкомпонентным люминофором (дающим красное, зеленое и синее свечение каждый) и устанавливают три автономно управляемых прожектора. Перед люминофором с внутренней стороны располагают также специальную сетчатую (щелевую) цветоразделительную (теневую) маску, обеспечивающую попадание лучей на соответствующие сегменты люминофора (см. рис. 11, а).

Дисплеи мониторов ПК часто являются усовершенствованными кинескопами. (При появлении ПК умельцы приспосабливали телевизионные приемники для вывода видеоинформации из компьютера.) В зависимости от типа монитора используют монохромные (черно-белые, черно-зеленые и черно-желтые) дисплеи или цветные дисплеи.

Основным параметром дисплея является размер его экрана по диагонали и размер зерна-триады люминофора, выбираемый шагом отверстий матрицы теневой маски. Существуют мониторы с диагональю от 14 до 21 дюйма и зернистостью от 0,42 до 0,26 мм и тоньше. В прямой зависимости от указанных величин находится экранное разрешение изображения, которое можно получить на мониторе. Эту характеристику принято оценивать полным числом высвечиваемых элементов — точек или пиксел, измеренных по горизонтали и вертикали, например, 800x600, 1024x768 или 1280x1024 пиксел. (Интересно отметить, что масочный дисплей по своей конструкции уже является не аналоговым, а как бы цифровым устройством.) Реальная разрешающая способность будет, конечно, зависеть от полосы пропускания всего видеотракта. Чистота цвета также зависит от намагничивания элементов монитора и кинескопа (в основном, его маски), поэтому в мониторах предусматривают специальные системы размагничивания. Опытный радиолюбитель никогда не поднесет динамические головки к экрану: это все равно, что стукнуть его молотком (далее см. эпиграф данного раздела).

В приемной трубке — иконоскопе используется принцип накопления электрических зарядов для преобразования оптического изображения в телевизионные сигналы. Световой поток от объекта направляется (через оптическую систему) на светочувствительную мишень — слюдяную пластину с мозаикой, состоящей из нескольких миллионов изолированных друг от друга миниатюрных фотокатодов (из зерен серебра, покрытых цезием или окислом цезия), и вызывает на ее поверхности характерное распределение электрических зарядов (потенциальный рельеф). На другую ее сторону нанесен металлический слой, так называемая сигнальная пластина. Каждый фотокатод с этой пластиной образует конденсатор. Электронный луч, обегая мозаику мишени в определенной последовательности, задаваемой характером телевизионной развертки, разряжает каждый конденсатор через резистор (сопротивление нагрузки), подключаемый к усилителю электрических сигналов.

С середины прошлого века иконоскоп был заменен более совершенными передающими телевизионными трубками (супериконоскопом, суперортиконом, видиконом и др.).

 

Полупроводниковые приборы

Диоды

С полупроводников фактически началась эра микроэлектроники, которая сейчас оставила далеко позади электронику вакуумную и газоразрядную. Основным «героем» различных полупроводниковых структур является так называемый р-n переход. Здесь: р — от positive, т. е. положительный, область дырочной проводимости, а n — от negative, т. е. отрицательный, область электронной проводимости. Схемотехническое изображение диода (рис. 12, б), в котором реализован р-n переход, соответствует мнемоническому правилу, согласно которому стрелку тока на схемах показывают во внешней электрической цепи источника от его «плюса» к его «минусу».

Рис. 12. Диоды:

а — внешний вид; б , в — УГО диода и стабилитрона и их модельные компоненты EWB

Таким образом, треугольник (символ стрелки тока) — это как бы р-область «+», а вертикальная черта — это n-область «-». Поскольку подобное устройство является диодом, то по аналогии с электровакуумным диодом, соответствующие выводы часто называют анодом и катодом. Особенность работы диода в цепи отражается в зависимости его тока от напряжения, так называемой вольтамперной характеристике (ВАХ).

Для того чтобы выяснить смысл работы диода, достаточно взять любой выпрямительный диод и омметром (или мультиметром в режиме омметра) измерить его сопротивление для двух случаев его включения: прямом и обратном. В случае резистора получилось бы одно и то же число. Для диода же результаты этого нехитрого эксперимента дадут крайне малое сопротивление, если к его аноду подключен положительный вывод прибора, и очень большое при обратном включении. Этим приемом можно пользоваться для диагностики исправности диодов или определения их выводов. При отсутствии измерительных приборов можно попробовать провести подобный эксперимент с батарейкой и лампочкой от карманного фонарика. Собрав последовательную цепь: «плюс» батарейки-диод-лампочка-«минус» батарейки, проверяют ее работу при двух противоположных по знаку напряжениях на диоде. При подходящих параметрах компонентов цепи в одном случае лампочка будет гореть, а при другом — нет. Итак, проводимость диода сильно зависит от полярности приложенного напряжения. На сленге радиолюбителей «диод в одном направлении пропускает ток, а в другом — нет». А это позволяет производить выпрямление переменного тока, детектировать сигналы и т. п. Кстати, детектирование сигналов в простейшем радиоприемнике и привело к зарождению радиотехники.

Отмеченное выше основное свойство диода для конкретного образца имеет пределы: при очень большом прямом токе диод «сгорит», а при высоком обратном напряжении будет «пробит». Поэтому в паспортных данных на диоды всегда приводят величину допустимого прямого тока и допустимого обратного напряжения.

В этом плане описанным выше простым способом проверки диодов следует пользоваться, только если рабочее напряжение омметра меньше пробойного для диода. Однако это напряжение не должно быть меньше потенциального барьера р-n перехода полупроводникового материала соответствующего диода (0,7 В для кремния и 0,3 В для германия). Это лишний раз показывает, что всеми правилами и рекомендациями надо пользоваться вдумчиво. Так сказать, «семь раз примерь — один измерь», хотя, в другом смысле, для повышения точности требуются многократные измерения.

Диод, включенный на прямое напряжение, называют прямосмещенным, или открытым, а на обратное — обратносмещенным, или запертым.

По назначению различают диоды выпрямительные (для выпрямительных устройств), универсальные (для детекторов различного типа) и импульсные (для импульсных устройств).

В зависимости от использованного полупроводникового материала различают диоды германиевые, кремниевые и арсенид-галиевые. Германиевые диоды применяют в основном для детектирования слабых высокочастотных сигналов, а для выпрямителей используют кремниевые диоды.

«Экзотические» типы диодов

В большом семействе диодов, помимо рассмотренных выше «обычных», с простым р-n переходом, встречаются и своеобразные устройства с более сложными характеристиками. Ряд из них традиционно называют по фамилиям тех ученых, которыми они были разработаны.

Диоды Ганна представляют собой полупроводниковые приборы, имеющие сложную структуру зоны проводимости (из арсенида галлия с электронной электропроводностью), работающие на основе открытого в 1963 г. американским физиком Дж. Б. Ганном эффекта, заключающегося в возникновении автоколебаний тока в подобных системах. Колебания возникают в определенном интервале прямых напряжений на диоде на падающем участке ВАХ, имеющей N-образный характер. Используются в СВЧ-генераторах.

Диоды Есаки, или туннельные диоды, основаны на квантово-механическом туннельном эффекте просачивания носителей заряда сквозь потенциальный барьер. Эффект был открыт японским физиком Есаки в 1958 г. ВАХ диода также имеет N-образный характер, поэтому их используют как генераторные, а также в качестве усилительных и переключательных.

Диоды Зенера, стабилитроны или опорные диоды — кремниевые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ. В прямом направлении зенеровские диоды ведут себя как «обычные». Работа же при обратном смещении имеет следующую специфику: до некоторого порогового напряжения диод, как обычно, заперт, а при большем обратном напряжении он пробивается. Но это не беда, как для «обычного» диода, в том и заключается «фокус», что пробой в зенеровском диоде носит обратимый характер. Этот-то участок его ВАХ и используется для стабилизации напряжения и включается он «шиворот-навыворот». Характеристиками данного диода служат напряжение пробоя, составляющее от 2,4 до 91 В, и рабочий ток (от 3,9 до 320 мА).

Диоды Шоттки имеют структуру металл-полупроводник, позволяющую получить высокое быстродействие при переключениях напряжения. Очевидно, на особенность поведения этого контакта впервые обратил внимание еще в 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолабаратории О. В. Лосев, систематическое же исследование провел В. Шоттки, именем которого и были названы подобные полупроводниковые приборы. Обычно диоды Шоттки изготавливают на основе кристаллов кремния или арсенида галлия. Они широко используются в СВЧ-технике связи и как составной элемент интегральных логических микросхем.

Пин-диоды, или p-i-n-диоды, выполняют в виде многослойной структуры, в которой между р и n областями полупроводника образуется слой с высокой собственной электропроводностью, называемый i-слоем. В режиме переключения проводимость этого слоя меняется на четыре порядка, что позволяет использовать пин-диоды, например, как быстродействующие, переключательные СВЧ-диоды.

Варикапы (от англ. varyable — переменный и capacity — емкость) — диоды, у которых используется барьерная емкость запертого р-n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения. Если рассматривать диод как своеобразный конденсатор, можно обнаружить, что толщина потенциального барьера р-n перехода будет тем больше, чем больше (по модулю) обратное напряжение. Его увеличение как бы раздвигает обкладки конденсатора, что приводит к естественному уменьшению емкости. Существование барьерной емкости обычно ограничивает быстродействие диодов и их частотные характеристики, в варикапах же «то, что немцу плохо…», наоборот, работает на пользу. При прямых напряжениях эта емкость шунтируется малым сопротивлением и снижается добротность. Основными характеристиками варикапов служат: номинальная, минимальная и максимальная емкости; максимально допустимое напряжение и мощность. Варикапы применяют для электронной настройки колебательных контуров.

Поскольку полупроводниковые материалы и структуры из них весьма разнообразны, то и приборов на их основе создано, помимо перечисленных, и будет еще создаваться очень много. Однако, прервем на этом наш обзор, отнеся лишь рассмотрение фото- и светодиодов, в раздел оптоэлектронных компонентов.

Тиристоры

Развитие силовой полупроводниковой электронной техники шло по пути вытеснения электровакуумных и газоразрядных приборов из выпрямителей и преобразователей.

Тиристоры — это обширный класс полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и электронного переключения. Они являются полупроводниковыми устройствами с двумя устойчивыми состояниями, имеющими три или более р-n переходов. Поскольку в качестве полупроводника в тиристорах используется кремний, то в отечественной литературе их также называют кремниевыми управляемыми вентилями.

Тиристоры широко используются для регулирования мощности постоянного и переменного тока в нагрузке за счет ее включения и выключения. Тиристоры были изобретены примерно через десять пет после изобретения биполярного транзистора, который имеет трехслойную структуру (р-n-р или n-р-n). Простейший тиристор имеет четырехслойную структуру (р-n-р-n). На первый взгляд может показаться, что здесь нет ничего нового: просто два диода (р-n) перехода, соединенных последовательно. Однако это совсем не так.

Соединив два диода последовательно, получим такую цепь: проводник (анод) — р слой — n слой — проводник — р слой — n слой — проводник (катод). Отличие заключается в том, что в такой неправильной модели в средней части структуры область n-р перехода заменяется проводником, и… «вместе с водой выплескивается ребенок». Именно эта обратно смещенная область разделяет всю структуру и играет поэтому роль первой скрипки. При подаче на такую структуру напряжения — плюс к аноду, минус — к катоду, два крайних р-n перехода будут открыты (как прямо включенные диоды), а средний n-р переход будет закрыт (обратно смещенный диод), и вся структура окажется запертой (сквозной ток будет близок к нулю). Если напряжение на этом переходе превысит некоторый предел — напряжения включения — Uвкл, то структура как бы открывается. Можно также дополнительно управлять этим процессом, сделав дополнительный вывод (управляющий электрод) от срединной области р и задавая определенный ток управления Iynp.

Тиристоры, имеющие два вывода, т. е. диодные тиристоры называют динистороми, а триодные — тринисторами. Вообще же, для образования названия этого класса полупроводниковых приборов — тиристоры — был использован смешанный способ аббревиации путем сложения греческого тира (thyra — дверь) и части слова резистор (или транзистор). Роль открытой или запертой «двери» играет вышеупомянутая область n-р перехода, а роль «ключа» к ней — напряжение для диодной структуры и управляющий электрод — для триодной (рис. 13).

Рис. 13. Тиристоры:

а — внешний вид; б — УГО и компоненты EWB

Правда, введение этих красочных метафор в электронику было выполнено ранее для газоразрядных приборов с управляющей сеткой — тиратронов, вытесненных тиристорами.

Основными параметрами тиристоров являются: напряжение и ток включения, удерживающий ток и напряжение в открытом состоянии, отпирающий ток управляющего электрода и максимальное обратное напряжение.

В вышеописанных тиристорах рабочий ток протекал только при положительной полярности приложенного напряжения, т. е. их ВАХ не симметрична, что с успехом используется в управляемых выпрямителях. Потребность в управляемых источниках переменного тока привела вначале к использованию «встречновключенных» пар тиристоров, а затем к созданию приборов с симметричными характеристиками. Эти тиристоры были названы американской фирмой «General Electric» диак (DIAC — Diode AC semiconductor switch) и триак (TRIAC — Triode AC semiconductor switch). В отечественной литературе симметричные тиристоры называют симисторами. Эти приборы имеют многослойную полупроводниковую структуру из чередующихся типов проводимости: n-р-n-р-n, что и приводит к своеобразию их ВАХ.

Транзисторы

Биполярные транзисторы

Еще на заре развития радиоэлектроники для детектирования колебаний использовался контакт тонкой проволочки («кошачьих усов») с полупроводниковым минералом галенитом. В 1921–1922 гг. сотрудник Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосев на основе полупроводникового диода создает знаменитый «Кристадин», где впервые используется особый режим усиления высокочастотных колебаний. Однако эти исследования были оставлены без должного внимания и несправедливо забыты. Господство электронных ламп продолжалось.

Перенесемся мысленно на полстолетия назад в лабораторию известной телефонной компании «Белл», где группа физиков возобновила прерванные войной исследования в области полупроводниковых материалов. Руководит группой физик-теоретик Уильям Шокли, вместе с ним работает физик-теоретик Джон Бардин и физик-экспериментатор Уолтер Браттейн.

Изучая полупроводники, Шокли намеривался в соответствии с разработанной им теорией воздействовать на ток, протекающий в них, электрическим полем. Этот эксперимент, как бы повторяющий идею электронно-вакуумного триода, не дал положительных результатов. Тогда Бардин и Браттейн, пытаясь разобраться в причинах постигшей их неудачи, решили провести более детальные исследования с точечными контактами металла и поверхности полупроводника. Пластинка кристалла германия n-типа была припаяна к заземленному металлическому диску-основанию (отсюда впоследствии появилось понятие базы). Сверху к кристаллу на расстоянии долей миллиметра были прижаты кончики двух золотых волосков (те же «кошачьи усы»). Однажды, в конце декабря 1947 г., Бардин и Браттейн подвели к одному из золотых контактов (который играл роль эмиттера) электрический сигнал звуковой частоты с небольшим положительным смещением, а на другой золотой контакт (служивший коллектором) подали значительно большее отрицательное напряжение. Исследователи с изумлением обнаружили, что сигнал на коллекторе оказался в 50 раз больше исходного.

Так был рожден точечный транзистор. Это был своеобразный залп «Авроры», предвещавший начало «транзисторной революции», с неизбежностью несущей на своих богатырских плечах революцию информационную. Шокли тут же разработал совершенную теорию его работы и вдобавок, в развитие своих первоначальных идей, предложил конструкцию плоскостного транзистора. Десять лет спустя все трое за эти работы были удостоены Нобелевской премии.

Вначале, описывая изобретенное устройство как элемент электрической цепи, исследователи назвали его Transresistor от Transfer resistor (передающий резистор), а уж затем сократили до современного Transistor (транзистор).

Рассматриваемые транзисторы имеют трехслойную структуру с чередующимися типами проводимости электронной (n) и дырочной (р), т. е. n-р-n или р-n-р. Наличие двух видов носителей зарядов обусловило их название «биполярные транзисторы». Современные транзисторы изготавливают совсем по другим технологиям, и они совсем не похожи на своих предтечей. Однако условное графическое обозначение биполярных транзисторов несет на себе исторические черты их рождения: средняя поперечная черта — пластинка-основание, символизирует базу, а две косые черточки, контактирующие с ней, два других электрода (бывшие «кошачьи усы») — это коллектор и эмиттер. Для того чтобы отличать транзисторы двух типов эмиттер изображают в виде стрелки, направленной к базе для р-n-р типа и от нее для n-р-n типа.

Таким образом, и здесь, как и в диоде, за основу взято условно-положительное направление тока в цепи: «от плюса к минусу» или, в данном случае, от p-области к n-области. Помня это нехитрое правило, не трудно по графическому изображению транзистора на схеме указать его тип, а это позволяет, по крайней мере, сразу разобраться с включением полярности источников питания (рис. 14).

Рис. 14. Транзисторы:

а — внешний вид; б , в — УГО биполярных транзисторов n-р-n и р-n-р типов и их модельные компоненты EWB; г , д — УГО полевых транзисторов с n- и p- каналами и их модельные компоненты EWB

Как уже указывалось выше, транзистор, представляющий собой электрический трехполюсник, включается в каскады в качестве четырехполюсника, поэтому один вывод с неизбежностью становится общим, что и дает название схеме включения. Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером. Схемотехника транзисторных цепей с общим эмиттером аналогична схемотехнике ламповых цепей с триодами: эмиттер — катод, база — сетка, а коллектор — анод.

Полевые транзисторы

История изобретения и создания этого класса полупроводниковых приборов достаточно туманна: в разных источниках скупо упоминаются различные люди и даты. Возможно, что это связано с большой разновидностью подобных устройств. Поэтому, не анализируя, перечислим все известные нам факты в хронологическом порядке. В 1925 г. Юлиус Лилленфельд изобрел полевой транзистор с р-n переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. В 1939 г. английский ученый О. Хейл получил патент на устройство, в котором электрическое поле изолированного электрода управляло током, протекающим в тонком слое полупроводника. В 1952 г. упомянутый выше Шокли дал теоретическое описание униполярного полевого транзистора. Такие транзисторы, получившие название полевых с управляемым р-n переходом были впоследствии изготовлены Дейси и Россом, которые в 1955 г. также дали аналитическое описание их характеристик. В 1956 г. С. Тешнер (Франция) изобрел одну из разновидностей полевых транзисторов. В 1960 г. М. Атала и Д. Канг предложили использовать структуру металл-окисел-полупроводник в качестве основы для создания особого вида полевых транзисторов. Очевидно, что именно с этих транзисторов, которые стали широко использоваться в интегральных микросхемах, и по-настоящему началась эра полевых транзисторов. Полевые транзисторы не вытеснили биполярные, а лишь удачно дополнили их, так как обладали рядом уникальных особенностей, с которыми можно легко ознакомиться в виртуальных моделях.

Вначале дадим некоторые пояснения терминов и обозначений. Названия этого класса полупроводниковых приборов связаны с их принципом действия. В некоторой области полупроводника (канале, отсюда одно из названий — канальные) протекает ток основных носителей заряда, одного знака отсюда — униполярные транзисторы. Управление значением тока осуществляется поперечным электрическим полем, отсюда другое название — полевые транзисторы (в английской транслитерации — Field Effect Transistor, сокращенно FET). Все эти названия с разных сторон характеризуют один и тот же прибор и являются общеупотребительными.

Все разновидности полевых транзисторов можно, по существу, разделить на два больших класса: полевые транзисторы с управляющим р-n переходом — Junction (плоскостной) FET, или JFET, и полевые транзисторы с изолированным затвором — Insulated (изолированный) Gate (затвор), т. е. Insulated Gate FET, или сокращенно IJFET. Транзисторы последнего типа содержат в своей структуре Металл-Оксид-Полупроводник, отсюда сокращенно МОП или, на английском, Metall-Oxide-Semiconductor FET (MOSFET). Поскольку используемые оксиды (диоксид кремния SiО2) являются частным случаем диэлектрика, то в русском наименовании слово «оксид» меняют на «диэлектрик» и тогда аббревиатура превращается в МДП (соответственно в английском это Insulator и сокращенно MISFET). Выделяют также полевые транзисторы с каналом n-типа на основе арсенида галлия GaAsFET.

Использование комплементарных структур добавляет в русской аббревиатуре в их названии префикс «К»: КМОП или в английском «С» (от Complementary): CMOS. Именно последний акроним используется для обозначения энергонезависящей памяти компьютера, выполненной в виде интегральной микросхемы по соответствующей технологии. Данная микросхема хранит все начальные установки конфигурации ПК и, обладая малым потреблением энергии, работает годами без выключения, питаясь от миниатюрного аккумулятора.

В символике УГО полевых транзисторов (см. рис. 14 г, д) присутствует все та же направляющая стрелка, обозначающая электрод, называемый затвором (Gate), два других электрода имеют очевидные названия: исток (Source) — аналог эмиттера, сток (Drain) — аналог коллектора.

В полевом транзисторе с каналом p-типа полярности источников обратны. Поскольку входное сопротивление полевого транзистора составляет сотни мегаом. то не трудно сообразить, что ток, протекающий через затвор, очень мал (составляет единицы наноампер, а для МОП транзисторов даже единицы пикоампер). В отсутствие напряжения на затворе ток через него практически равен нулю. В этом, собственно, и заключается основная особенность полевых транзисторов по сравнению с биполярными, обусловившая их широкое распространение в микроэлектронике.

В отличие от виртуальной электроники, в реальной обращение с МОП- и МДП-транзисторами требует большой осторожности. Дело в том, что большая рабочая чувствительность транзисторов связана с использованием тончайших пленок окислов или диэлектрика. Подобные пленки могут быть разрушены даже такими небольшими статическими зарядами, которые возникают на теле человека. Это приносило массу неприятностей при работе с полевыми транзисторами. Для того чтобы избежать повреждения, МОП-транзисторы обычно поставляются с соединенными вместе выводами с использованием специальной упаковки. Особые меры предосторожности принимаются при их монтаже (заземление рабочего инструмента и руки с помощью металлического браслета на запястье и т. п.). К счастью, новейшие МОП-транзисторы теперь частично защищены с помощью стабилитронов, включенных внутри транзистора между затвором и истоком.

Тем не менее, положительные свойства полевых транзисторов таковы, что именно широкое использование МОП-транзисторов в интегральных микросхемах в свое время революционизировало всю цифровую электронику.

 

Оптоэлектронные компоненты

В различных электронных устройствах широко используются физические сигналы в виде света в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом участках спектра. В связи с этим существует два вида первичных оптоэлектронных устройств: приемники и излучатели света. В первых происходит преобразование энергии света в электрическую энергию или световой сигнал преобразуется в электрический сигнал (здесь, конечно, тоже происходит преобразование энергии, но важны временные параметры). Во вторых происходит обратное преобразование энергии. Наконец, существуют компоненты, в которых происходит двойное преобразование сигнала (энергии) по схеме: «электричество->свет->электричество».

Многие из рассмотренных выше полупроводниковых устройств в той или иной степени обладают свойствами подобных преобразователей, и их развитие привело к созданию в виде отдельных компонентов с определенными характеристиками.

Работа оптоэлектронных приборов основана на открытиях физиков: Беккереля, Герца, Столетова, Эйнштейна, Басова, Прохорова, Таунса и др.

Фоторезисторы

Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником напряжения и резистором нагрузки. За счет внутреннего фотоэффекта под действием света он уменьшает свое сопротивление: фотоны переводят электроны в зону проводимости, в результате чего возрастает концентрация носителей электричества (электронов и дырок) и сопротивление уменьшается. В качестве светочувствительного материала в фоторезисторах используют сульфид или селенид кадмия, которые наносят на изолирующую подложку.

В отсутствие светового потока в фоторезисторах протекает небольшой темновой ток, обуславливающий их темновое сопротивление от 1 до 100 МОм. С ростом светового потока их сопротивление может уменьшиться в 1000 раз.

Фоторезисторы являются сравнительно инерционными приборами: их постоянная времени составляет 10…100 мс.

Основными параметрами фоторезисторов являются: темновое сопротивление и кратность его изменения, рабочее напряжение и ток.

Фотогальванические (солнечные) элементы

Фотогальванический элемент представляет собой источник тока, выполненный на основе р-n перехода в полупроводниковых материалах (кремний). Принцип их действия также основан на внутреннем фотоэффекте, но наличие р-n перехода приводит к разделению зарядов на электродах и, следовательно, к возникновению фото-ЭДС. Для одного элемента величина ЭДС невелика и при токе 50 мА составляет 0,45 В. Для увеличения тока элементы выполняют с большой плоской поверхностью, а для увеличения напряжения соединяют последовательно в батарею. КПД преобразования энергии света в электрическую энергию у них также не высок (15 %), но зато они являются экологически чистыми возобновляемыми источниками электроэнергии.

Фотодиоды

Устройство фотодиода подобно устройству фотогальванического элемента, а использование аналогично фоторезистору или гальваническому элементу.

Существует два типа фотодиодов с обычным р-n переходом и так называемым p-i-n переходом. В p-i-n фотодиоде, как и в упомянутом выше пин-диоде, между р и n областями, имеется прослойка из нелегированного полупроводника. Это приводит к улучшению ряда их характеристик, например быстродействия. В корпусе фотодиода имеется стеклянное окошко, позволяющее свету попадать на р-n переход (рис. 15, а, б).

Рис. 15. Оптоэлектронные компоненты (внешний вид, УГО и компоненты EWB):

а , б — фото- и светодиоды; в , г — цифровые индикаторы

Основными параметрами фотодиодов являются: темновой ток, рабочее напряжение и чувствительность по отношению к световому потоку.

Фотодиод может работать в двух режимах как фоторезистор и в генераторном режиме, когда внешний источник отсутствует и с его зажимов снимается фото-ЭДС.

Фототранзисторы

Фототранзисторы устроены аналогично обычным транзисторам, но, как и в фотодиоде, в их корпусе имеется светопрозрачное окошко, через которое свет попадает на базу прибора. Благодаря этому в базе генерируются дополнительные носители заряда, что эквивалентно подаваемому на нее сигналу управления.

Фототранзистор может и не иметь электрического вывода от базы (диодное включение). По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют большие выходные токи из-за своих усилительных свойств, хотя их инерция немного больше.

Основными параметрами фототранзисторов служат: рабочее напряжение и темновой ток при этом напряжении; наибольший ток при освещении прибора и его интегральная чувствительность.

Фототранзисторы выполняют также на основе так называемых однопереходных транзисторов (или двухбазовых диодов).

Фототиристоры

В фототиристоре, как и в обычном тиристоре, используется четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n; конструктивно он выполняется так, чтобы свет попадал на высокоомную n-базовую область. Таким образом, световой импульс играет роль импульса управляющего тока, отпирающего тиристор. Так же, как и обычный тиристор, он остается включенным после действия импульса и для его выключения надо выключить приложенное к нему внешнее напряжение.

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод или сокращенно светодиод представляет собой полупроводниковый диод, преобразующий электрические сигналы в световые. Работа светодиодов основана на физическом явлении, называемом электролюминесценцией. Возбуждение полупроводниковой структуры сопровождается рекомбинацией электронов и дырок с последующим излучением квантов света. Для получения требуемого цвета свечения используются специально подобранные многокомпозитные полупроводники. В результате использования карбида кремния получают красно-оранжевый цвет свечения, антимонида галлия — желтый, а теллурида цинка — зеленый.

Чаще всего светодиоды выпускают в круглых пластмассовых корпусах диаметром 3 или 5 мм (рис. 15, а, б). Для вывода света базовая область светодиода выполняется в виде полусферической линзы (либо имеет аналогичное покрытие).

Светодиоды широко используются в качестве индикаторов общего применения, заменяя лампы накаливания, так как имеют меньшие габариты и меньшее энергопотребление.

Прямые токи светодиодов составляют 5…22 мА, а прямое напряжение около 2…6 В. Максимальное обратное напряжение у отдельных типов светодиодов составляет 5 В.

Комбинируя светодиоды, создают специальные знаковые индикаторы. Примером может служить одноразрядный семисегментный индикатор, позволяющий за счет внешней коммутации сегментов высвечивать цифры от 0 до 9 (рис. 15, г).

Светодиоды могут иметь несколько р-n переходов на одном кристалле — матричные светодиоды. Из подобных структур создают многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы (рис 15, в).

Светодиоды имеют низкое напряжение питания, малый ток и высокое быстродействие.

Арсенид-галлиевые светодиоды излучают свет в инфракрасном диапазоне (ИК). Это ИК-диоды. Максимум их излучения лежит в диапазоне 0,87…0,96 мкм, излучаемая мощность 10…500 мВт, максимальный ток 100…2500 мА.

Полупроводниковые лазеры

В отличие от простых светодиодов, дающих некогерентное излучение, в специальных инжекционных лазерах генерируется когерентное излучение света. Помимо определенного выбора активной среды инжекционного лазера, представляющего собой в электрической цепи диод, в нем на основе р-n перехода выполняется еще и специальная резонансная оптическая система. Эта система и вносит основные ограничения на размеры устройства: площадь поперечного сечения р-n перехода — 0,5…2 мкм2, длина излучающей области — 300…500 мкм. Излучение имеет форму иглы с пространственным расхождением луча, составляющим несколько угловых минут.

Полупроводниковый лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Оптроны

Оптроны, или оптопары, состоят из двух рассмотренных выше оптоэлектронных приборов, связанных общим световым каналом так, что один из них является излучателем света, а другой — его приемником. Таким образом, оптрон представляет собой электрический многополюсник, в котором передача сигнала от входа к выходу осуществляется за счет преобразования входного электрического сигнала в световой сигнал, его передаче внутри устройства и последующего преобразования в электрический выходной сигнал.

В оптронах используются некогерентные оптоэлектронные полупроводниковые приборы. Общим требованием ко всем оптронам является согласованность оптических спектральных характеристик излучателя и приемника. Между входом и выходом оптрона обеспечивается высокая электрическая изоляция, и он служит идеальной гальванической развязкой электрических цепей. В этом, собственно, и заключено его основное достоинство и на этом строятся его применения.

Основным видом излучателя в оптронах является светодиод.

В качестве фотоприемников в оптронах применяют: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Соответственно по названиям этих фотоприемников и называют весь оптрон.

Резисторный оптрон представляет собой входной светодиод и выходной фоторезистор, объединенные в одном корпусе оптически прозрачным клеем с большим сопротивлением изоляции.

В диодном оптроне аналогично объединены свето- и фотодиод, с которого на выходе снимается фото-ЭДС. Используют также и диодное включение фотодиода.

Транзисторный оптрон состоит из ИК-диода на основе арсенида галлия, имеющего максимум излучения в области максимальной чувствительности приемного фототранзистора (длина волны 1 мкм). Сопряжение излучателя и приемника осуществляется, как и в остальных приборах, прозрачным клеем, являющимся одновременно электрическим изолятором.

В тиристорном оптроне, устроенном аналогично транзисторному, в качестве приемника излучения используется кремниевый фототиристор.

Оптосимистор состоит из арсенид-галиевого ИК-светодиода, соединенного оптическим каналом с двунаправленным кремниевым переключателем (симистором). Последний может быть дополнен отпирающей цепью, срабатывающей при переходе питающего напряжения через нуль и размещенной на том же кремниевом кристалле. Это весьма удобная в использовании оптопара, позволяющая вывести управляющий сигнал с логических элементов, имеющих малый уровень напряжения, на нагрузку, питаемую от сети с напряжением до 800 В. Оптосимисторы размещают в малогабаритных DIP-корпусах с шестью выводами.

Помимо простых вышеперечисленных оптронов используются также и более сложные устройства: оптоэлектронные интегральные микросхемы (переключательные, функциональные и др.), а также специальные виды оптронов с открытым оптическим каналом, с гибким световодом и с управляемым оптическим каналом.

Жидкокристаллические индикаторы

Буквенно-цифровые ЖКИ представляют собой печатную плату, на которой расположены выводы подключения и управляющие элементы. Сверху на печатной плате закреплено жидкокристаллическое табло в металлической оправе.

В ЖКИ используется эффект изменения оптических характеристик некоторых органических жидкостей (относящихся к классу жидких кристаллов) под действием электрического поля с напряженностью 2…5 кВ/см. Изменение ориентации молекул в некоторых производных бензола, ряде гетероциклических соединений и других в области электродов, приводит к локальным изменениям коэффициента отражения и преломления. Это и делает их в этих местах непрозрачными. Таким образом, в проходящем или отраженном свете внешнего источника появляется изображение, сформированное электрическим полем. При снятии напряжения прозрачность структуры восстанавливается.

Управление типовым индикатором осуществляется с помощью специализированных микросхем, соединенных с ними 8- или 4-разрядной шиной через 16-контактный разъем.

В отличие от светодиодов и инжекционных лазеров, ЖКИ являются пассивными приборами, не создающими собственного излучения; невелико также и быстродействие ЖКИ. Это ограничивает область их использования в основном в качестве дисплеев микрокалькуляторов, часов и переносных электроизмерительных приборов. В ЖКИ может использоваться дополнительная подсветка (электролюминесцентная, светодиодная и флуоресцентная с холодным катодом).

 

Микросхемы и микроконтроллеры

Аналоговые микросхемы

Операционные усилители

Всего лишь два-три десятка лет тому назад практически на равных существовали два вида электронных вычислительных машин: аналоговые (АВМ) и цифровые (ЦВМ). Для решения особо сложных задач создавались гибридные вычислительные комплексы из АВМ и ЦВМ.

В отличие от цифровой машины в аналоговой для выполнения каждой математической операции существовал свой специализированный операционный блок: сумматор, «перемножитель», интегратор и т. д. Число таких блоков в одной машине доходило до нескольких сотен. Основу операционного блока составлял сначала ламповый, а потом транзисторный усилитель, получивший название операционного. Операционный усилитель (сокращенно — ОУ) на английском языке называется Operational Amplifier (сокращенно — Op Amp), а радиолюбители ласково окрестили его как «операционник». Поскольку в математических операциях встречаются не только переменные величины, но и константы, представляющие на языке сигналов постоянные напряжения и токи, то ОУ принципиально должен быть усилителем постоянного тока. Значит, его АЧХ должна начинаться с нуля и быть равномерной в широкой полосе частот. В теоретических расчетах используют понятие идеального ОУ с бесконечно большим коэффициентом усиления и полосой частот; на расчетных схемах для него используется специальное УГО (рис. 16, а).

Стабильность работы ОУ должна быть очень высокой, иначе неминуемы ошибки и сбои. Существенный прорыв в улучшении характеристик ОУ и других устройств был достигнут в микросхемотехнике при использовании интегральных технологий.

Рис. 16. Микросхемы:

а — идеальный ОУ; б , г — внешний вид аналоговой и цифровой микросхем; в - е — УГО и компоненты EWB; ж — микроконтроллер

Создание интегральной микросхемы

Двухметровый уроженец Канзаса Джек Килби был тихим, замкнутым человеком. В свое время он не добрал на вступительных экзаменах по математике трех баллов и не смог поступить в Массачусетский технологический институт. Позже он поступил в Иллинойский университет и, окончив его, 10 лет проработал в малоизвестной фирме, выпускавшей радио- и телевизионные детали.

В мае 1958 г. ему представилась счастливая возможность перейти в знаменитую фирму «Texas Instruments». Здесь в то время выполнялся военный заказ по миниатюризации электронных схем на основе микромодулей: электронные элементы печатались на тончайших керамических пластинках, которые затем спаивали в виде стопки, получая нужную схему.

В июле сотрудники компании отправились в двухнедельный летний отпуск. Килби же, как новичку, отпуск еще не полагался. Он остался в лаборатории практически один и вынужден был выполнять сам почти все технологические операции. Снуя по лаборатории от резака к вакуумному посту, от него к микроскопу, от микроскопа к рабочему столу, Килби упорно спаивал стопки пластинок, но работа не клеилась: ему явно не хватало навыков по операциям, в которых набили руку его отдыхавшие коллеги. И тогда его буквально осенило: «Ведь резисторы и конденсаторы можно не только делать порознь из того же полупроводникового материала, что и транзисторы, но и изготавливать все компоненты одновременно на одной и той же полупроводниковой пластине». Это был путь к интегральной технологии.

По прошествии нескольких месяцев он убедил в правильности своей идеи скептически настроенного шефа, изготовив первый грубый опытный образец. Первая в мире интегральная схема (от латинского integer — цельный, неразрывно связанный, единый) еще не отличалась особым изяществом. Она представляла собой сантиметровую германиевую пластинку, на которой размещались всего пять компонентов. Отдельные части схемы были изолированы друг от друга благодаря своей форме в виде букв U, L и т. п. Крошечные проволочки, соединяющие компоненты схемы друг с другом и с источником питания, просто припаивались. Вся конструкция скреплялась воском в лучшем духе сургучно-веревочной техники физического эксперимента времен Майкла Фарадея. Тем не менее, схема работала. Фирма сообщила о рождении принципиально нового устройства в январе 1959 г. Для демонстрации потенциальных возможностей новой технологии компания построила на ее основе компьютер для ВВС США.

Прошло более 40 лет, и вот в 2000 г. Джек Килби вместе с Хербертом Кроемером и российским ученым Жоресом Алферовым были номинированы на Нобелевскую премию по физике за работы «по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров».

По функциональному назначению различают интегральные микросхемы, аналоговые и цифровые. Существуют и смешанные микросхемы, такие как аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, таймер серии 555 и др. В классе аналоговых микросхем выделяют микросхемы с линейными характеристиками — линейные микросхемы, к которым и относятся микросхемы ОУ. Широкое распространение интегральных монолитных ОУ началось с выпуска в 1964 г. фирмой «Fairchild» первого крупносерийного ОУ типа μА702; здесь символ μ происходит от микро, А от Amplifier. Аналогом явилась отечественная микросхема — К140УД1.

В 1965 г. появился знаменитый ОУ типа μА709 (аналог — К153УДЭ). Это была настолько удачная микросхема, что ее ежегодный выпуск достиг 30 млн. Все последующие микросхемы ОУ в той или иной степени генетически несут ее черты. Не случайно ее прозвали дедушкой (granddaddy) операционных усилителей! Стандарт следующего поколения определил ОУ типа μА741 (рис. 16, б, в).

Аналоговые микросхемы выпускают, как правило, функционально незавершенными, что открывает широкий простор для радиолюбительского творчества.

Цифровые микросхемы

Цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Каждая микросхема преобразует последовательность входных сигналов в последовательность выходных. В связи с этим микросхема, заключенная в тот или иной корпус, имеет следующие выводы («ножки»): питания (общий — «земля» и напряжения питания (+5 В или +3,3 В), входы внешних цифровых сигналов и выходы. Большинство микросхем заключено в DIP-корпус с двумя рядами, содержащими от 8 до 40 выводов по продольным боковым сторонам (см. рис. 16, г-е).

Наибольшее распространение получили две технологии (серии или «семейства») цифровых микросхем: ТТЛ (TTL) — транзисторно-транзисторная логика на основе биполярных транзисторов и КМОП (CMOS) — комплементарные транзисторы со структурой «металл-окисел-полупроводник».

Маркировка обычных (стандартных) зарубежных ТТЛ-микросхем начинается с цифр 74, например 7400 и 74121. Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001 и 4501. КМОП-микросхемы были разработаны более 30 лет тому назад в знаменитой американской радиокорпорации RCA. Это легендарные серии CD4000A.B и UB. Отечественные микросхемы имеют более сложную буквенно-цифровую идентификацию, поскольку в ней заключено указание на ее функциональное назначение.

Микросхемы различаются по степени интеграции, функциональному назначению, нагрузочной способности и схеме выходного каскада, быстродействию и энергопотреблению. ТТЛ-микросхемы более «прожорливы» и, следовательно, сильнее нагреваются.

Микроконтроллеры

Термин «контроллер» образовался от английского слова to control — управлять. Традиционно эти устройства основывались на различных принципах работы от механических или оптических устройств до электронных аналоговых. Наиболее распространенными на сегодняшний день являются схемы управления, построенные на основе цифровых микросхем — микроконтроллеры.

Микроконтроллеры — разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), специализированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами. В отличие от микропроцессора МК представляет собой функционально законченное устройство, готовое к выполнению «зашитых» в него программ, и не требует внешних устройств (разумеется, при этом он может управлять различными внешними объектами).

Еще в 1965 г. Гордон Мур (Gordon Moore), один из будущих основателей могущественной корпорации Intel, обратил внимание на интереснейший факт. Представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем, он обнаружил любопытную закономерность: новые модели микросхем появлялись каждые 18–24 месяца, а их емкость при этом возрастала каждый раз примерно вдвое. Если такая тенденция продолжится, предположил Г. Мур, то мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет на протяжении относительно короткого промежутка времени.

Предвидение Г. Мура впоследствии блестяще подтвердилось, а обнаруженная им закономерность, названная «Законом Мура», наблюдается и в наши дни.

В 1976 г. экспоненциальное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию фирмой Intel первого микропроцессора — 8048. Помимо центрального процессора, в его состав входила память программ, память данных, восьмибитный таймер и 27 линий ввода/вывода. Конечно, 8048 уже является достоянием истории, а вот следующее изделие — микропроцессор 8051, выпущенный Intel в 1980 г., живет и здравствует поныне.

Сегодня в мире выпускаются тысячи типов микроконтроллеров и микропроцессоров. Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством. По этому признаку микроконтроллеры делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные.

В однокристальных микроконтроллерах все аппаратные средства (микропроцессор, память, таймер, периферийные устройства и программное обеспечение) находятся в одном кристалле. Наружу выводятся только линии ввода/вывода (порты). Наиболее ценным качеством микроконтроллеров является наличие многократно программируемой памяти. Программирование выполняется на языке Ассемблер, позволяющем точно спрогнозировать время выполнения им команд (используются также языки СИ и Паскапь).

Наиболее распространенными в настоящее время являются микроконтроллеры семейства MCS-51. Это семейство поддерживается рядом фирм-производителей микросхем. Не менее распространенными в мире, но не в России, являются микроконтроллеры фирмы Motorolla. Это такие семейства, как НС05, НС07, НС11 и многие другие. Пожалуй, не менее популярными микроконтроллерами являются микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel, например АТ89 с флэш-памятью программ, являющиеся функциональным аналогом семейства 8-разрядных микроконтроллеров фирмы Intel. Представляют интерес также так называемые PIC-контроллеры (Peripheral Interface Controller) фирмы Microchip, также являющиеся 8-разрядными устройствами. Эти микроконтроллеры имеют электрически программируемые пользователем ППЗУ: минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру (Reduced Instruction Set Code), функциональную законченность и минимальные размеры. Они дают возможность программировать их после установки в изделие.

Впрочем, одно перечисление семейств микроконтроллеров может занять не один том, а как следствие закона Мура, их число и количество публикаций о них также будет расти по экспоненте.

Ограничимся кратким перечнем изделий, построенных на базе микроконтроллеров: микроАТС, автоответчики, АОНы, мобильные телефоны, зарядные устройства, факсы, модемы, пейджеры, таймеры, системы сигнализации, измерительные приборы, счетчики воды, газа и электроэнергии, дозиметры, приборы автосигнализации, системы управления зажиганием и впрыском топлива, приборные панели и радарные детекторы, интеллектуальные датчики, системы управления электродвигателями, промышленные роботы, регуляторы температуры, влажности, давления и т. д., схемы управления принтерами и плоттерами, сетевые контроллеры, сканеры, схемы управления аудиосистемами, системы синтеза речевых сообщений, видеоигры, системы дистанционного управления, кассовые аппараты и т. д.

Безусловно, этот впечатляющий список будет и расширяться, и углубляться, и читателям, после освоения основ электроники — начального старта, безусловно, придется окунуться в эту бурно развиваемую область.

 

Электроакустические и электромеханические компоненты

Электроакустические компоненты

Важно до конца выяснить, какую роль в восприятии звука играет то обстоятельство, что человеку дано именно два, а не одно ухо.

Т. Хаясака . Электроакустика

Электроакустические устройства представляют собой преобразователи электрических колебаний в акустические (излучатели звука: наушники, громкоговорители и т. п.) или, наоборот, акустических колебаний в электрические (приемники звука: микрофоны, гидрофоны и т. п.). Как правило, это выходные или входные компоненты соответствующих аудиоустройств. Электроакустические преобразователи имеют различный принцип действия, конструктивные особенности и технические характеристики.

Микрофоны

История изобретений микрофонов тесно переплетается с историей рождения телефонов (телефонных аппаратов и телефонной связи), так как они являются обязательными компонентами этих систем.

Официальной датой рождения телефона считается 1876 г., когда американец Александр Грэхем Белл получил свой знаменитый патент. Однако первый телефонный разговор, как свидетельствует околонаучный фольклор, произошел за 16 лет до этого. «Лошади не лопают огуречный салат!» — прокричал в раструб своего замысловатого аппарата Филипп Рейс. «Это я и без тебя знаю, старый осел!», — отчетливо прозвучал в ответ голос его друга, говорившего в аппарат, но в другом помещении. Свое устройство Рейс назвал «телефон» от греческих слов tele — вдаль, далеко и phone — звук; правда, аппарат Белла был более совершенным.

В своем изобретении Рейс использовал то, что на современном языке называется бионикой, взяв за основу механизм восприятия звука ухом. Его «одноухий» звукоприемник представлял собой раструб, прикрепленный сбоку к отверстию в деревянной коробке, закрытому упругой диафрагмой из свиной кишки (аналог барабанной перепонки). В центре диафрагмы размещалась платиновая пластинка, соединенная с одним из полюсов батареи. Второй полюс батареи был соединен с другим аппаратом, и далее цепь замыкалась через платиновую иглу (аналог ушного молоточка), касающуюся углубления в центре пластинки. Внутри углубления помещалась капелька ртути. При попадании звука в раструб колебания диафрагмы приводили к изменению площади касания в системе «игла — ртуть — пластинка» и. следовательно, изменению величины контактного сопротивления. Таким образом, ток в цепи модулировался звуковыми колебаниями.

Излучающее устройство второго аппарата состояло из железной вязальной спицы, укрепленной горизонтально на деревянном резонаторном ящике, а вокруг спицы размещалась катушка, соединенная с первым аппаратом. Переменный ток в катушке возбуждал колебания спицы, и из резонатора раздавался звук, отчасти похожий на тот, который был послан в первый аппарат… Возвращаясь к фольклору, отметим, что в продолжение приведенной выше фразы там пишется: «Рейс так обрадовался удаче, что не обратил внимания на не слишком вежливый ответ». А он и не мог его услышать по этому телефону: его звукоприемник не обладал свойством обратимости, им обладал только второй аппарат. Если друг Рейса произнес ответ, то, в принципе, спица в его аппарате пришла в соответствующие колебания и промодулировала ими ток в цепи аппаратов (так работают электромагнитные адаптеры в электрогитарах). Однако у аппарата Рейса колебания тока не привели бы к синхронным колебаниям иглы и диафрагмы и последующему излучению звука. Для дуплексной связи необходимо было бы иметь второй комплект подобной аппаратуры, с обратными функциями. Поэтому друг Рейса, пока они не изготовили два комплекта, мог бы выразиться и более смачно…

Американский изобретатель Д. Юз в 1878 г. усовершенствовал звукоприемное устройство Рейса (и частично некоторые конструкции Эдисона), заменив, по сути, платиновую иглу на угольный стерженек (типа карандашного грифеля), заостренный с двух концов и опирающийся на углубления в угольных опорах, находящихся на деревянной деке. Переходное сопротивление в угольных опорах изменялось здесь гораздо больше, чем у Рейса. Это — «микрофон Юза», хотя приставка «микро» здесь пока и не очень уместна (если только не сравнивать с ушами слона).

Годом позже железнодорожный инженер из г. Львова Маврикий Махальский, «раскрошив» угольный стержень Юза, получает патент на конструкцию микрофона с чувствительным элементом из угольного порошка. Этот микрофон был усовершенствован и впоследствии превратился в капсюльный угольный микрофон. Увы, как всегда, «страна своих героев не помнит», и этот микрофон, доживший до наших дней, сплошь и рядом, называют именем Юза…

Вполне понятно, что чувствительность этого микрофона значительно превышала чувствительность прототипа, благодаря использованию громадного числа изменяемых под действием звукового давления контактных поверхностей и большой подвижности отдельных зерен порошка.

В телефонах конструкции Белла, как для приема, так и для передачи звука, использовались, по сути, электромагниты с железной мембраной. В режиме микрофона звук колебал мембрану, и она вызывала модуляцию тока в цепи катушки электромагнита, подключенного к батарее, либо имевшей подмагничивание постоянным магнитом. Если этот ток протекал по другому аналогичному устройству, соединенному с первым проводами, то его мембрана колебалась в такт с первой, излучая звук в окружающее пространство.

Помимо порошкового угольного микрофона Махальского, который по принципу действия является тензорезистивным, и микрофона Белла, являющегося электромагнитным, известны микрофоны, основанные на иных принципах: электродинамические, конденсаторные, пьезоэлектрические и электретные (рис. 17).

Рис. 17. Микрофоны:

а — внешний вид; б — УГО

В электродинамическом микрофоне катушечного типа, который изобрели американские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г., применена диафрагма из тонкой полистирольной пленки или алюминиевой фольги, жестко связанная с катушкой из тонкой проволоки, находящейся в кольцевом зазоре магнитной системы. При колебаниях диафрагмы под действием звука витки катушки пересекают магнитные силовые линии и в катушке наводится ЭДС, создающая переменное напряжение на ее зажимах.

В электродинамическом микрофоне ленточного типа, изобретенном немецкими учеными Э. Герлахом и В. Шоттки в 1924 г., вместо катушки в магнитном поле располагается гофрированная ленточка из очень тонкой (около 2 мкм) алюминиевой фольги.

В конденсаторном микрофоне, изобретенном американским ученым Э. Венте в 1917 г., звук действует на тонкую металлическую мембрану, изменяя зазор и, следовательно, электрическую емкость между мембраной и металлическим неподвижным корпусом, представляющими собой пластины конденсатора электрического. При подведении к пластинам постоянного напряжения изменение емкости вызывает появление тока через конденсатор, сила которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями.

В пьезоэлектрическом микрофоне, сконструированном советскими учеными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 г., звук воздействует на пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, например из сегнетовой соли, вызывая на ее поверхности появление электрических зарядов. В настоящее время в качестве чувствительного элемента в подобных микрофонах используют специальные пьезокерамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.).

В электретном микрофоне, изобретенном японским ученым М. Егучи в начале 1920-х годов, по принципу действия и конструкции схожем с конденсаторным, роль неподвижной обкладки конденсатора и источника постоянного напряжения играет пластина из «электрета». «Электреты» относятся к материалам, способным сохранять постоянную электрическую поляризацию (и противоположные заряды на поверхностях), подобно тому, как постоянные магниты сохраняют свою намагниченность. С электретными микрофонами связана одна курьезная история времен Второй мировой войны, когда к американцам попал целехонький японский эсминец, и они немедленно стали изучать его техническое оснащение. И вот, когда дело дошло до оценки внутренней телефонии, то американские связисты оказались в полном недоумении из-за отсутствия в телефонах электромагнитов и источников питания. Однако связь безупречно работала. Только после весьма продолжительного специального научного исследования они разгадали эту японскую загадку: телефоны были электретными.

Казалось бы, что теперь-то все уже давно придумано: ведь к началу прошлого века патентов в этой сфере было под 10 тысяч, да еще за 100 лет сколько добавилось! Ан, нет. Вот недавнее сообщение: «44-летний врач Еситака Накадзима изобрел микрофон, который улавливает звук по натяжению и движению мускулов лица, а не по вибрации голосовых связок. Микрофон имеет 1 см в диаметре и 0,5 см в толщину и обладает настолько высокой чувствительностью, что с его помощью тихую и невнятную речь можно хорошо расслышать, даже находясь в комнате, в которой стереофоническая аппаратура включена на очень большой уровень громкости». Подобные устройства в принципе известны и называются ларингофонами (от «ларинго» — гортань). Как видим, здесь «микрофон» практически выродился: он воспринимает сигналы не из воздуха, а в процессе их формирования в мышцах лица или шеи, и затем обрабатывает их в компьютере специальной программой (в ней, по-видимому, заключена новизна изобретения).

Возможно, следующий изобретатель добудет сигналы прямо из мозга или нервных каналов, управляющих работой голосового тракта говорящего человека, но это уж точно будет не «микрофон», а, скорее, своеобразный «мозгофон» или «нервофон». Несомненно, одно: нет предела познанию и процесс творчества бесконечен, поэтому открыто поле деятельности и для наших читателей.

К техническим параметрам микрофонов относят: чувствительность (отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению на нем) и динамический диапазон; номинальный диапазон частот, в котором чувствительность соответствует номинальному значению; частотная характеристика и ее неравномерность; диаграмма направленности; модуль полного сопротивления и номинальное сопротивление нагрузки. В зависимости от значений, принимаемых этими параметрами, отечественные микрофоны относят к высшему (нулевому) классу и. соответственно, от первого до третьего. В зарубежной аппаратуре принято выделять HiFi (High Fidelity — высокое качество) устройства, примерно соответствующие отечественному высшему классу.

Излучатели звука и ультразвука

Если микрофоны выполняют функции, аналогичные уху человека, то излучатели звука подобны его голосовому аппарату. Поскольку возможности человеческого голоса ограничены, то издавна старались его усилить, например, сконцентрировать рупорами.

Развитие электро- и радиосвязи, а также собственно звуковоспроизведения привело к созданию многих оригинальных устройств.

В электроакустических преобразователях энергия электрических колебаний превращается в энергию излучаемого звука. Типичными излучателями являются громкоговорители и телефоны (здесь под термином «телефон» подразумевается именно излучатель звука, а не телефонный аппарат).

По способу преобразования колебаний громкоговорители и телефоны подразделяются на электродинамические катушечные (подавляющее число типов громкоговорителей), электромагнитные (основное число телефонов), электростатические, пьезоэлектрические и др.; по виду излучения — на громкоговорители непосредственного излучения, диффузорные и рупорные; по воспроизводимому диапазону — на широкополосные, низко-, средне- и высокочастотные; по потребляемой электрической мощности — на мощные и маломощные.

К техническим характеристикам громкоговорителей и телефонов относятся следующие понятия: номинальная мощность; частотная характеристика по звуковому давлению и ее неравномерность; среднее стандартное звуковое давление (отдача); входное сопротивление; характеристика направленности и др.

Из всех известных видов акустических преобразователей массовое применение в любительской практике нашли электродинамические громкоговорители, в просторечии называемые «динамиками», электродинамические головки прямого излучения и пьезокерамические СЧ и ВЧ излучатели.

Электродинамический громкоговоритель был изобретен и запатентован американцами Райсом и Келлогом в 1925 г. За прошедшее время наиболее заметные изменения в его конструкции связаны с появлением новых материалов для изготовления диффузоров и магнитных систем.

В электродинамическом громкоговорителе (рис. 18) для преобразования электрических колебаний звуковых частот в механические используют взаимодействие поля постоянного магнита с током в подвижной катушке, подключенной к источнику электрических колебаний.

Рис. 18. Громкоговорители:

а — внешний вид; б — вид в разрезе ( 1 — диффузородержатель; 2 — подвес; 3 — диффузор; 4 — пылезащитный колпачок; 5 — звуковая катушка: 6 — гибкие выводы; 7 — магнит; 8 — центрирующая шайба); в — УГО; г — компонент EWB

Катушка, располагаемая в кольцевом зазоре магнита, и жестко связанная с ней диафрагма вместе с магнитной системой образуют так называемую головку громкоговорителя. Взаимодействие тока с магнитным полем вызывает механические колебания диафрагмы, сопровождающиеся излучением звуковых волн либо непосредственно (громкоговорители прямого излучения), либо через рупор (в рупорных громкоговорителях). Качество звучания существенно зависит от типа корпуса, в который помещают громкоговоритель.

Характерные значения сопротивления звуковой катушки электродинамических громкоговорителей составляют 4 и 8 Ом. Типичные значения полной электрической мощности лежат в пределах 0,05…100 ВА. Узкополосные громкоговорители обеспечивают воспроизведение в сравнительно узком интервале частот: сабвуфер (сверхнизкочастотный громкоговоритель) — 20…120 Гц; вуфер (низкочастотный громкоговоритель) — 150…250 Гц; мидрендж (среднечастотный громкоговоритель) — 250…2000 Гц; твитер (высокочастотный громкоговоритель) — 3,5 кГц и выше. Широкополосные громкоговорители обеспечивают работу в большом интервале частот, например 40…15 000 Гц.

В пьезокерамических источниках звука используется «обратный пьезоэффект» — механическая деформация пьезоэлектриков (кварц, сегнетова соль, пьезокерамика) в электрическом поле. Очевидно, первой технической конструкцией подобного излучателя следует считать кварцевый излучатель Шиловского-Ланжевена, изобретенный 1916 г. и использованный в гидролокации.

Современные пьезокерамические излучатели звука выполняют двух- и трехэлектродными. В двухэлектродных излучателях пьезокварцевая пластинка, имеющая металлизированное покрытие с двух сторон, одной из них прикрепляется к металлической диафрагме.

Переменное напряжение, подводимое к диафрагме и другой стороне токопроводящего покрытия на пластинке, вызывает переменные деформации системы, приводящие к излучению звука в окружающую среду. Трехэлектродные устройства имеют дополнительный электрод типа язычка, доходящего до центра пластинки. Сигнал, снимаемый с этого электрода, находится в противофазе с основным возбуждающим сигналом, подаваемым на основные электроды и используется для обратной связи в системе управления. Подобные устройства используют как высокочастотные громкоговорители и излучатели ультразвука (рис. 19).

Рис. 19. Пьезоизлучатель МастерКИТ AK076 :

а — внешний вид; б — модельный пьезокварц в EWB

В конце прошлого века британское министерство обороны объявило о разработках результатов исследований звукоизоляции в кабинах военных самолетов активными шумоподавителями в виде плоского панельного громкоговорителя системы NXT(New Transducer Technology — новые технологии преобразования). NXT — это технология плоских панелей, при которой ее возбуждение осуществляется из одной точки с помощью электродинамических, пьезоэлектрических или других возбудителей. Материалом панели могут служить картон, пластмасса, композиты из углеродного волокна и т. д. Основная идея заключается в получении максимально случайного характера движения любых двух соседних точек поверхности панели относительно друг друга.

В отличие от обычных многополосных громкоговорителей, для воспроизведения всего звукового диапазона используется одна панель NXT, возбуждаемая при помощи одного-единственного преобразователя. При площади 0,6 кв. м нижняя граничная частота составляет 100 Гц, а верхняя — 18 кГц, отклонения частотной характеристики при этом сравнимы с обычными громкоговорителями.

При увеличении площади до 1,5 м2 низкочастотная граница уменьшается до 60 Гц. Панели NXT могут работать при размерах от 25 см2 до 100 м2. Самые маленькие могут быть использованы в системах мультимедиа совместно с ноутбуком (в том числе в сопряжении с «антибликовым» экраном), а самые большие — в кинотеатрах, служа одновременно экраном. В автомобильной акустике подобные устройства могут быть выполнены в виде полки под задним стеклом или фрагмента дверной обшивки, а в помещениях — имитировать его архитектурные фрагменты. При воспроизведении Hi-Fi к относительным недостаткам NXT можно отнести некоторое ограничение полосы низких частот, а также утрату точной локализации.

Существует большое количество самых разнообразных телефонов (наушников, головных телефонов), отличающихся как по принципу действия, так и по конструктивному оформлению. Наиболее распространены электромагнитные телефоны, которые берут свое начало от телефона Белла. Их принцип действия заключается в следующем. На постоянный магнитный поток системы, состоящей из постоянного магнита и магнитопровода (полюсных наконечников), накладывается переменный поток звуковой частоты, создаваемый надетыми на магнитопровод катушками, к которым подводится напряжение звуковой частоты. Перед полюсными наконечниками находится ферромагнитная диафрагма (мембрана). Под воздействием постоянного и переменного магнитных потоков, пронизывающих диафрагму, мембрана колеблется в такт с переменным магнитным потоком и излучает звук.

Для прослушивания радиопередач, звукового сопровождения телепередач и звукозаписи применяются стереофонические телефоны в основном электродинамического типа (рис. 20).

В корпусе находится малый электродинамический громкоговоритель с диффузором или полусферической диафрагмой. Пространство между ним и корпусом заполнено звукопоглощающим материалом (поролон). Перед громкоговорителем находится перфорированная решетка.

Специальные типы телефонов могут обеспечить также и квадрофонические эффекты восприятия звука.

Рис. 20. Головные телефоны:

а — внешний вид;  б — УГО наушника

Электромеханические компоненты

Несмотря на интенсивное развитие электроники как таковой, практически любое электронное устройство имеет в своем составе те или иные электромеханические компоненты. Это связано с рядом обстоятельств. Отдельные внутренние функции ряда систем проще выполняются подобными устройствами. Кроме того, человеку как оператору присуще управление системами посредством механических движений, и замещение «механики на электронику» из этих сфер происходит весьма медленно (например, введение «голосового управления»). Наконец там, где ряд входных или выходных функций устройств являются по своей природе механическими (датчики, привод и т. п.) — подобная электромеханика только совершенствуется, а не исчезает.

Коммутационные компоненты

К коммутационным относятся устройства, скачкообразно изменяющие значения своих параметров при определенном воздействии. Примером может служить обычный выключатель лампы бытового освещения, кнопки вызова лифта и т. п.

Различают устройства, в которых усилие оператора направлено перпендикулярно панели, на которой оно размещено (нажимные микропереключатели и кнопки), и параллельно панели (тумблеры, движковые и клавишные переключатели). Распространены также устройства, управляемые вращением. К ним относятся переключатели: поворотные, пакетные, галетные, щеточные, роторные и т. п.

В технических характеристиках учитывают: габариты и способ крепления: количество и тип контактов; усилие привода; диапазон коммутируемых токов и напряжений; допустимое число коммутаций.

В радиолюбительских конструкциях, да и профессиональной аппаратуре широко используются различные переключатели (рис. 21).

Рис. 21. Переключатели:

а — микропереключатель;  б — DIP-переключатель; в — тумблер; г — УГО многополюсного переключателя; д — компонент EWB

Например микропереключатели типа МП1-МП11 с тремя контактными группами («тройки»), позволяющие коммутировать токи от 0,2 до 500 мА при напряжении от 0,2 до 30 В (рис. 21, а). В последнее время появились компактные блоки DIP-переключателей (рис. 21, б). Еще одним популярным типом механических коммутирующих устройств является перекидной переключатель (рис. 21, в), называемый тумблером (от англ. tumbler). Наиболее распространены тумблеры с двумя парами коммутируемых контактов, используемые в аппаратуре обычно в качестве выключателей сетевого питания, и с четырьмя парами контактов.

Реле

Это устройства, в которых при изменении условий в одной электрической цепи замыкаются и (или) размыкаются контакты, которые управляют работой другого устройства в той же или другой электрической цепи. Существуют и бесконтактные (электронные) реле.

Слово «реле» происходит от франц. Relais, означающего в доэлектрическую эпоху, как это не странно, пункт смены почтовых лошадей. Электромагнитное реле с нормально-замкнутым контактом было изобретено американским физиком Дж. Генри в 1837 г.; позже он предложил для телеграфа Морзе использовать цепь дистанционной передачи из подобных релейных станций.

По принципу действия различают реле: электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, электродинамические, электротепловые и др.

В электромагнитных реле механическая работа, необходимая для замыкания и размыкания контактов, совершается за счет изменения магнитной энергии в рабочем воздушном зазоре электромагнита.

Реле классифицируют по ряду признаков.

По роду управляющего тока: постоянного и переменного; по потребляемой мощности: высокочувствительные (до 10 мВт), чувствительные (до 0,1 Вт) и нормальные (более 0,1 Вт); по виду контактов: с точечными, линейными, плоскостными и ртутными контактами.

По быстродействию: сверхбыстродействующие (время срабатывания и отпускания до 5 мс), быстродействующие (5…50 мс), нормальные (50…150 мс), замедленные (0.15…1 с) и реле времени (> 1 с).

По массогабаритным характеристикам: малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные.

Магнитные системы реле могут содержать постоянные магниты — поляризованные реле, или быть нейтральными.

Подвижную часть реле, воздействующую на контакты, называют якорем. Якорь может перемещаться поступательно либо поворачиваться на некоторый угол (рис. 22).

В контактных группах реле различают два типа контактов: замыкающие, которые при отсутствии тока в обмотке реле находятся в разомкнутом состоянии (нормально разомкнутый контакт — HP), и размыкающие, находящиеся при отсутствии тока в обмотке в замкнутом состоянии (нормально замкнутый контакт — НЗ). Кроме этого реле может иметь и переключающие контакты.

Рис. 22. Электромагнитные реле:

а — внешний вид; б — устройство ( 1 — катушка; 2 — сердечник; 3 — ярмо; 4 — Н3; 5 — переключающий контакт; 6 — HP; 7 — толкатель); в — компонент EWB

Основными параметрами реле являются: род тока; величина тока или напряжения срабатывания и соответственно отпускания; тип контактных групп.

К особому типу реле относится магнитоуправляемый контакт или геркон (герметичный контакт). Геркон представляет собой вакуумированную запаянную трубку, в торцы которой, вдоль продольной оси, введены пружинные контактные лепестки из ферромагнитного материала. Величина зазора между пластинками резко зависит от внешнего магнитного поля. Когда сила притяжения между лепестками превышает силу упругости, то лепестки замыкаются, образуя электрический контакт. Геркон, помещенный в катушку, работает как обычное реле. Он может управляться и приближением, либо перемещением постоянного магнита или экрана (подобные устройства использовались в клавиатурах прежних компьютеров и применяются в охранной сигнализации).

Для коммутации силовых цепей (пуск асинхронных двигателей и т. п.) разработаны герметичные силовые контакты — герсиконы, имеющие в области замыкания тугоплавкие наплавки и работающие в среде специального защитного газа.

Магнитоуправляемые контакты выполняют как с замыкающими, так и с размыкающими контактами.

Телеграфный ключ

Телеграфист с передаточной загадал барышне с промежуточной какое-то слово, начинающееся на букву «л«, и такой насмешник — стучит и стучит все одни и те же знаки:

.-…-…-…-..

Но барышня никак не может отгадать этого трудного слова.

А.И. Куприн . Телеграфист

Это устройство (рис. 23) представляет собой специальный выключатель, служащий для быстрого размыкания и замыкания одной из цепей радиопередатчика при телеграфной передаче (манипуляции).

Рис. 23. Телеграфные ключи:

а — классический ключ ( 1 — подставка; 2 — задний контактный винт; 3 — двуплечий рычаг; 4 — рукоятка ключа; 5 — передний контакт; 6 — плоские стальные контактные пружины с серебряными контактными напайками; 7 — пружины); б — телеграфный манипулятор «Альманах-ПРО» Мастер КИТ MK327 ; в — телеграфный манипулятор «Эклипс» MK328 ; г — телеграфный манипулятор «Зеро» MK329

На радиостанциях малой мощности телеграфный манипулятор включается непосредственно в передатчик, а в мощных — управляет их работой через реле.

Простой вертикальный ключ (рис. 23, а) состоит из коромысла, на одном конце которого находится замыкающий контакт и специальная ручка для захвата ключа рукой. На таком ключе оператор длинным нажатием на ключ передает тире, коротким — точку, т. е. формирование телеграфных знаков происходит «вручную». В современном исполнении подобный ключ показан на рис. 23, в. Помимо описанного классического (вертикального) ключа, радиолюбители широко пользуются ключом, манипулятор которого (рис. 23, б, г) выполнен в виде рычага, на который слегка нажимают влево или вправо. Как правило, ключи последнего типа совмещают со специальной электронной частью радиостанций, формирующей последовательность тире при нажиме в одну сторону (влево), и — последовательность точек при манипуляции в другую сторону (вправо).

Возможен также реверс указанных сигналов по отношению к выбору их ориентации. Таким образом, знаки телеграфной азбуки формируются автоматически манипуляцией в разные стороны рычага манипулятора, служащего механической частью электронного ключа радиостанций. Радиолюбители умудряются изготовлять подобный манипулятор из отрезка ножовочного полотна; начинать с работы на подобном «инструменте» не рекомендуется: придется долго переучиваться, чтобы правильно «поставить руку».

В англоязычной литературе классический ключ называется Key, а с горизонтальными манипуляциями — Paddle. Последние выполняются в двух разновидностях: non-iambic и iambic, т. е. «неямбические» и «ямбические» (совмещаемые с электронным ключом).

Это название дано по ассоциации с ямбом — двухсложной стопой стихосложения, имеющей краткий безударный слог (аналог телеграфной точки) и долгий ударный слог (аналог тире).

Изобретение классического телеграфного ключа связано с именем американского профессора живописи и рисования С. Морзе, построившего в первой половине XIX в. после консультаций Дж. Генри вариант электромагнитного телеграфа и предложившего оригинальный способ последовательного кодирования сигналов: знаменитую «азбуку Морзе». В своем телеграфе Морзе, неискушенный в электротехнике (обмотку электромагнита он намотал оголенным проводом), сначала использовал не ключ, а наборное зубчато-штифтовое устройство, из которого позже родились перфораторы, перфоленты и перфокарты. Собственно телеграфный ключ был сконструирован инженерами организованной им фирмы, хотя и назывался «ключом Морзе», да и азбуку его имени, возможно, изобрел его помощник А. Вейл. Безусловно, нельзя отказать С. Морзе в его упорной работе по усовершенствованию аппаратов и продвижению телеграфа в деловую жизнь.

Создание первого практически пригодного электромагнитного телеграфа — заслуга русского электротехника Б. Л. Шиллинга.

Апогеем многочисленных работ в области проводной телеграфии, проведенной исследователями и инженерами во всем мире, явилось установление телеграфной связи между континентами через подводный кабель, пересекший Атлантический океан в 1866 г.

Вот как впоследствии оценивал эти события немецкий писатель Стефан Цвейг: «Мы, более поздние поколения, никогда не сможем понять восхищения тех, кто был свидетелем первых успехов электрического телеграфа, их безмерного и восторженного удивления перед тем, что та же самая, едва ощутимая искра “Лейденской банки”, которая еще вчера преодолевала лишь расстояние в один дюйм до сустава подставленного пальца, превратилась вдруг в могучую силу, способную проложить себе путь через равнины, горы и целые материки…». Безусловно, эти слова могут быть перенесены еще и на более позднее, но и более эпохальное событие — передачу кодом Морзе первой радиограммы А. С. Поповым (см. далее).

При передаче текста кодом Морзе каждая буква передается в виде определенной последовательности длинных и коротких сигналов — «тире» и «точки». В настоящее время, несмотря на широкое развитие голосовой связи, кодовая передача продолжает широко использоваться, так как имеет два больших преимущества.

Первое — это большая помехозащищенность и возможность передачи на большие расстояния, и второе — возможность получения и сохранения копии сообщения на бумаге или другом носителе.

Первые передачи велись ключом, оператор должен был сам посылать и принимать коды. Затем стали использоваться телетайпы, аппараты похожие на пишущую машинку, когда для передачи буквы нужно только нажать соответствующую клавишу, а необходимый код создается телетайпом. С появлением компьютеров они стали широко использоваться для подобных целей.

Телеграфная азбука (система кодировки символов короткими и длинными посылками для передачи их по линиям связи, известная как «код Морзе», или «морзянка»), которую применяют сейчас, существенно отличается от той, что изобрел в 1838 г. С. Морзе. Исходная таблица кода Морзе сильно отличалась от тех кодов, которые сегодня звучат на любительских диапазонах. Во-первых, в ней использовались посылки трех разных длительностей (точка, тире и длинное тире). Во-вторых, некоторые символы имели паузы внутри своих кодов. Кодировки современной и исходной таблиц совпадают примерно для половины букв (А, В, D, Е, G, Н, I, К, М, N, S, Т, U, V и W) и не совпадают ни для одной цифры. Кроме того, при построении кода ряда символов в оригинальной «морзянке» использовались разные принципы: сочетания «двойное тире» (буква L) и даже «тройное тире» (цифра 0); некоторые символы включали в себя паузу. Латинская буква С передавалась тогда как «две точки-пауза-точка», что совпадало с буквами И и Е, переданными друг за другом. Все это заметно осложняло прием радиограмм.

Вариант азбуки Морзе для Европы был разработан австрийцем Фредериком Герке; именно он ввел в код одинаковые пробелы и всего лишь две длительности импульсов — точку и тире и ряд других упрощений. Американский и европейский варианты использовались для отправки сообщений по кабельным линиям, при переходе же к радиотелеграфу потребовался унифицированный код.

Вообще азбука Морзе неминуемо прошла весь путь, который проходила и обычная азбука, применяемая для письма.

Современный вариант международного «кода Морзе» (International Morse), или МТК появился в 1939 г., и имеет в своей основе «код Герке», хотя и не совпадает с ним полностью. Так называемый «континентальный» вариант продолжал еще использоваться кое-где на железных дорогах до середины 1960-х годов.

МТК является универсальным для языков на основе латиницы, но похожие коды были разработаны и для других алфавитов: так в эфире можно услышать своеобразный «японский код».

Для сообщений телетайпом (буквопечатающих телеграфных аппаратов стартстопного типа с клавиатурой) используется специальный код Бодо, унифицированный как Международный телеграфный код (МТК-2). Этот код является равномерным и в нем используется 5 двоичных знаков (точка/тире или ноль/единица) для каждого символа, а кодовая таблица содержит 32 позиции, от 0 до 31. В телетайпе применяется частотная манипуляция с двумя звуковыми сигналами частотой 170 Гц, передаваемым по отдельности, а каждый знак передается пятью битами. В радиоэфире телетайпные сообщения звучат как непрерывная трель и для их приема используются специальные декодеры. Совмещение идеи телетайпа с компьютером привело к созданию цифровой радиосвязи.

В настоящее время, когда происходит активный симбиоз радиолюбительского пакетного радио и сети Интернет, впервые за последние 65 лет в международный радиотелеграфный код Морзе был введен новый символ — «@». Введение в «морзянку» нового символа призвано удовлетворить, прежде всего, радиолюбителей, обменивающихся электронными адресами и почтой. Код символа «@» имеет вид: «точка-тире-тире-точка-тире-точка». Он составлен из кодов двух латинских букв — А («точка-тире») и С («тире-точка-тире-точка»), передаваемых без паузы.

Электродвигатели

Трудно составить такую комбинацию из магнитов, переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению.

У. Томсон

Электрические двигатели — это устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую. Общая классификация предусматривает следующее разделение двигателей. По виду механической энергии на их выходе: на двигатели вращательного или поступательного (линейного) движения. По роду тока — переменного тока (асинхронные и синхронные) или постоянного тока, а также универсальные; по мощности — силовые и микродвигатели (двигатели малой мощности: примерно до 0,6 кВт).

Кроме того, в классификации могут использоваться и другие признаки: назначение, исполнение, вид физического эффекта, лежащего в основе преобразования энергии, способы управления и т. п.

Для радиолюбителей электродвигатели, как компоненты разнообразных устройств, в основном могут представить интерес в приводах орг- и бытовой техники, электроинструменте, в игрушках и моделях. Все это двигатели малой мощности, но самых разнообразных типов.

Создание электродвигателя условно можно отнести к одной из ступеней «очеловечивания» обезьяны по механической линии: палка, колесо, ветро- и гидродвигатели (и движители), тепловые устройства и машины (паровая, пороховая, реактивная, двигатель внутреннего сгорания), электродвигатель.

Первый шаг в этом направлении сделал М. Фарадей, описавший в 1821 г. опыты по вращению проводника в магнитном поле, а один из промежуточных, но результативных — Б. С. Якоби. В 1838 г. по реке Неве двигался бот с 12 пассажирами, приводимый в движение «магнитным двигателем» Якоби. Работа двигателя постоянного тока основана на взаимодействии проводников с током, располагаемых на якоре (вращающаяся часть двигателя) и магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения, находящейся на магнитных сердечниках (полюсах) статора (рис. 24).

Рис. 24. Двигатель постоянного тока:

а — вид в разрезе ( 1 , 6 — подшипниковые щиты; 2 — щетки; 3 — обмотка возбуждения; 4 — корпус; 5 — статор; 7 — вал; 8 — сердечник якоря; 9 — полюс; 10 — обмотка якоря; 11 — коллектор; 12 — подшипник); б — микродвигатель; в — компонент EWB

Поле возбуждения может также создаваться не обмоткой, а постоянными магнитами. Это взаимодействие приводит к появлению сил Ампера, создающих электромагнитный вращающий момент.

Подключение обмотки якоря к внешней цепи осуществляется через специальный щеточно-коллекторный узел. В последнее время появились бесколлекторные двигатели постоянного тока, имеющие датчики положения якоря и специальный полупроводниковый коммутатор.

В зависимости от способа соединения цепи якоря и обмотки возбуждения различают двигатели: независимого возбуждения, в которых обмотки питаются от разных источников (частный случай — возбуждение от постоянных магнитов); параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Вид механической характеристики (зависимости частоты вращения вала от нагрузки на нем) зависит от типа возбуждения.

В паспортных данных двигателей обычно указывают: напряжение питания, В; мощность (механическая мощность на валу) Вт или кВт; частоту вращения, об/мин; потребляемый ток, А. Реже можно встретить крутящий момент, момент инерции и другие характеристики.

Важной особенностью двигателей постоянного тока является простота регулирования частоты вращения с помощью реостатов, включаемых в цепь возбуждения или якоря, а также тиристорных преобразователей. При этом надо не забывать, что одновременно будет изменяться и момент (мощность) на валу двигателя.

В электродвигателях переменного тока неподвижная обмотка статора так распределена в пазах его внутренней поверхности, что при определенных способах питания ее переменным током, создаваемое ею магнитное поле вращается вокруг оси системы. Наиболее просто вращающееся поле получается в двух случаях.

В двухфазной системе (рис. 25) две обмотки (фазы) статора размещаются взаимно перпендикулярно (пространственный сдвиг) и питаются переменными синусоидальными напряжениями сдвинутыми по фазе также на 90° (временной сдвиг).

Рис. 25. Двухфазный асинхронный двигатель:

а — вид в разрезе ( 1 — обмотки статора; 2 — ротор); б — микродвигатель; в — УГО (РО — рабочая обмотка; УО — управляющая обмотка)

Таким образом, поле одной обмотки относительно ее оси (перпендикулярной оси двигателя) колеблется по синусоидальному закону, а второй — по косинусоидальному. Сложение этих взаимно перпендикулярных колебаний приводит к появлению суммарного магнитного поля, вращающегося вокруг оси статора. Смещение фазы напряжения второй обмотки на 90° в большинстве случаев получают за счет питания этой обмотки через конденсатор.

Принцип двухфазного двигателя был предложен итальянским ученым Г. Феррарисом и американским ученым и инженером, сербом по национальности, Н. Тесла практически одновременно во второй половине XIX в.

Еще более поразительным по своей оригинальности и простоте является второй вариант, предложенный в 1888 г. русским инженером-электриком, работавшим в германской компании АЭГ, М. О. Доливо-Добровольским. В его конструкции на статоре под углом 120° друг к другу размещались три фазные обмотки, питаемые от трехфазной сети переменного тока (напряжения отдельных фаз в этой сети имеют временной сдвиг, равный 1/3 периода). В результате образовывалось вращающееся магнитное поле.

В асинхронных двигателях это поле, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них ЭДС, которая создает ток в этих проводниках, если они замкнуты, например, как в короткозамкнутом роторе (по типу беличьей клетки, также предложенной М. О. Доливо-Добровольским). Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и проводников с токами в роторе приводит к появлению сил Ампера и вращающего момента. Ротор вращается вслед за полем статора, но с некоторым скольжением, т. е. асинхронно.

В мощных синхронных двигателях ротор в большинстве случаев представляет собой электромагнит. Для этого на валу размещают два сплошных контактных кольца (не путайте с коллектором) и питают обмотку ротора через щетки постоянным током, например от выпрямителя (двигатель при этом все равно относится к машине переменного тока — по принципу действия и питанию обмотки статора).

В маломощных двигателях ротор и вовсе выполняют как постоянный магнит, и проблемы с его питанием и особенностями классификации исчезают.

В некоторых микродвигателях ротор выполняют из магнитотвердых материалов (гистерезисные двигатели) или придают асимметрию его магнитной системе (реактивные двигатели).

Пуск синхронного двигателя происходит на «асинхронном моменте», для этого в мощных двигателях дополнительно размещают короткозамкнутую обмотку, а в маломощных начальные токи индуцируются просто в металлическом теле ротора. Далее ротор втягивается в синхронизм, продолжая вращаться вслед за полем статора с той же угловой частотой.

Интересной особенностью синхронных двигателей является возможность электрической редукции частоты вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора. Проще всего понижение частоты вращения ротора (субсинхронный режим) достигают выполнением на роторе значительно большего числа зубцов, чем на статоре.

Развитие цифровой техники стимулировало появление специального типа синхронных двигателей — шаговых двигателей. Собственно один из первых лабораторных электродвигателей, предложенный итальянским физиком Сальваторе даль Негро в 1831 г., содержащий электромагнит с храповым колесом, был предтечей шаговых двигателей. Подобные устройства впоследствии широко применялись в телефонии и телеграфии («шаговый искатель», стартстопные аппараты, импульсные механизмы дистанционной связи). Однако к середине прошлого века эта ветвь двигателестроения уже не развивалась. Появление ЭВМ привело к реанимации этого направления и бурному развитию дискретного привода.

Примером современного использования шаговых двигателей является привод перемещения считывающих и печатающих головок в различных устройствах.

В шаговых двигателях (рис. 26), имеющих ротор в виде постоянного магнита, последовательности импульсов в виде команд подаются на группы обмоток статора (имеющих 4, 6 или 8 выводов) так, что максимум суммарного поля поворачивается на определенный угол, ротор также поворачивается, следуя за полем и делая шаг, занимает новое положение.

Рис. 26. Шаговый двигатель:

а — общий вид;  б — схема (А, В — управляющие обмотки; НВ — ротор)

Шаговые двигатели работают в комплекте с электронным коммутатором, переключающим обмотки управления на статоре с последовательностью и частотой, соответствующей заданной команде. Например, ротор может выполнять 48 шагов за один полный оборот, что соответствует угловому перемещению 7,5. Управление двигателями осуществляют от специальных микросхем или микроконтроллеров.

При подключении шаговых двигателей надо обратить внимание на рабочее напряжение, маркировку обмоток и величину вращающего момента.

Среди оригинальных конструкций микродвигателей, появившихся в последнее время, следует упомянуть пьезоэлектрические устройства, в которых колебания пьезокерамической пластинки через специальный упругий элемент приводят во вращение массивный ротор.

 

Антенно-фидерные устройства

С антенн начинается радиоприемник и ими заканчивается радиопередатчик. Слово «антенна» происходит от лат. antenna — мачта, рея. Антенны сопрягают электронные цепи преобразования сигналов с окружающим пространством, в котором распространяются радиоволны. Задача антенны заключается в преобразовании энергии электромагнитных волн, приходящих из окружающего пространства, в энергию электрических колебаний в приемном устройстве с сохранением заключенной в сигнале информации и, соответственно, в обратном преобразовании для передатчика.

Интуитивная догадка о конечной скорости распространения электромагнитных возмущений, наподобие волн иной физической природы, впервые была зафиксирована М. Фарадеем в его особом письме в Королевское общество Англии в 1832 г. Однако Фарадей, будучи по духу экспериментатором, не получив четкого экспериментального подтверждения своей гипотезы не опубликовал эту гипотезу, а лишь изложил ее в письме, которое запечатал и передан для хранения в архив. Когда в 1938 г. письмо вскрыли, то правота Фарадея и его приоритет стали очевидными.

Теорию электромагнитных волн и их родство со светом развил в своих работах Дж. К. Максвелл: он «родил» электромагнитные волны на кончике пера. Правда, как считан сам Максвелл, он лишь придан трудам Фарадея («плебейским», по выражениям других физиков, вследствие отсутствия в них математической «мишуры») строго математический («аристократический») вид.

Знаменитые «уравнения Максвелла» уже давно стали основой классической электродинамики, но вначале они представляли собой лишь не подтвержденную практикой теорию, разбросанную по всему «Трактату» и записанные не так, как приводятся сейчас. Эта работа всколыхнула многих ученых. Немецкий физик Генрих Герц, ученик Гельмгольца, первым ринулся ее ниспровергать, проводя многочисленные оригинальные и кропотливые опыты, но добился прямо противоположного результата: открыл существование электромагнитных волн в свободном пространстве и подтвердил их аналогию со светом.

5 декабря 1886 г. Герц пишет в письме Гельмгольцу (не разделявшему взглядов Максвелла): «Мне удалось совершенно определенно установить индукционное действие одной незамкнутой прямолинейной цепи на другую незамкнутую прямолинейную цепь».

Установка Герца была гениально проста. Источник высокого напряжения (типа автомобильной бобины) возбуждал кратковременный искровой разряд в воздухе между небольшими шариками, от которых горизонтально в две противоположные стороны отходили металлические стержни с большими шарами на концах. Позже это устройство назвали «вибратором Герца».

Индикатор представлял собой плоскую проволочную рамку с малым воздушным разрывом между хорошо зачищенными концами, располагаемыми в плоскости вибратора на удаленном от него конце. Регулировка этого зазора проводилась микрометрическим винтом, а систематические наблюдения за его состоянием — под микроскопом. Это устройство позже назвали «резонатором Герца».

12, 13 ноября 1886 г. Герц отмечает в своем дневнике: «Посчастливилось установить индукционное действие друг на друга двух незамкнутых цепей с током. Длина цепей 3 м, расстояние между ними 1,5 м». Герц обрадовался, увидев маленькую искорку в разряднике резонатора — это была «искра Божья», приведшая его к открытию, вместо предполагаемого «закрытия». А природа продолжала удивлять его: искра проскакивала и тогда, когда он перенес резонатор в другую комнату за дверь, благо она в то время была деревянной. Открытые волны, долгое время называемые «волнами Герца», послушно преломлялись в полуторатонной асфальтовой призме, как свет в стеклянной…

Подтвердив теорию Максвелла, Герц с немецкой пунктуальностью записал систему основных дифференциальных уравнений. Он использовал витиеватый и крайне неудобный готический шрифт (хорошо еще, что эта работа не проходила в стране «восходящего Солнца» или в «Поднебесной»). Современный вид того, что на всех языках теперь принято называть «уравнениями Максвелла», придал замечательный ученый-самоучка, его соотечественник О. Хевисайд.

В 1894 г. безвременно оборвалась жизнь Герца, но рожденные им волны продолжали жить. В этом же году английский физик О. Лодж прочитал в его память лекцию, продемонстрировав систему Герца, но используя в качестве регистратора волн вибратор, дополненный когерером, созданным на основе открытого французским ученым Э. Бранли эффекта уменьшения сопротивления металлических порошков под влиянием электромагнитного излучения. В цепь когерера включалась батарея и гальванометр, уверенно показывающий результат прихода волн большой аудитории.

Работы Герца и доклад Лоджа стали достоянием ученых и инженеров всего мира, и двое из них почти одновременно и, возможно, независимо друг от друга сделали следующие революционные шаги в рождении радиотехники.

7 мая 1895 г. преподаватель Минного офицерского класса в г. Кронштадте А. С. Попов продемонстрировал на заседании Физического общества в Петербурге прием электромагнитных волн от «герцевского вибратора» на изобретенный им прибор. В ознаменование этой даты в нашей стране с 1945 г. 7 мая был установлен как ежегодный День радио.

Приемник Попова, названный «грозоотметчиком» по одной из его функций, в отличие от устройства Лоджа, имел в своем составе ряд дополнительных элементов: реле, позволявшее с помощью принимаемых сигналов проводить их регистрацию (звуковую или запись на ленту); автоматический ударник, приводивший когерер в исходное состояние после приема очередного импульса; экран в виде клетки Фарадея, защищавший когерер от внешних помех, и, наконец, приемную антенну. Позже понятие об антенне, да и сам термин, были впервые употреблены в письме французского физика А. Блонделя к А.С. Попову в связи с изобретением последним антенн. А. Блондель в 1898 г. указал на необходимость учета влияния земли на работу вертикального вибратора и предложил, считая землю идеальным проводником, заменять ее в расчетах зеркальным изображением.

В первой конструкции Попова звонок одновременно выполнял функцию ударника, регенерирующего когерер. Приемник был выполнен в виде отдельного законченного устройства, а не набора, собираемого для проведения физических опытов или лекционных демонстраций (как у Лоджа), кроме того, и дальность приема была уже значительной.

В марте 1896 г. Попов продемонстрировал передачу по «беспроволочному телеграфу» сообщения между химическим и физическим корпусами Петербургского университета. Была использована не только приемная, но и передающая антенна, а текст сообщения — «Heinrich Hertz», напечатанный в коде Морзе на ленте, явился первой в мире радиограммой.

2 июня 1896 г. итальянский инженер-электрик Г. Маркони получил английский патент на «…усовершенствование в передаче электрических импульсов и сигналов на расстояние и в аппаратуре для этого». Его устройство мало чем отличалось от системы Попова, однако Маркони, получив патент, создал коммерческое предприятие и начал интенсивно развивать приемопередающую аппаратуру в мировом масштабе, тогда как работы Попова фактически ограничивались рамками Морского ведомства России и были весьма стеснены в средствах.

В отличие от большинства компонентов, рассмотренных в предыдущих разделах, составляющих различные электрические цепи, в которых распространение электромагнитных волн не имеет существенных задержек во времени прихода сигнала в различные части, в антенно-фидерных устройствах эти явления составляют сущность их функционирования. Если геометрия (размеры и конфигурация) соединения цепей в принципе не имеет большого значения (за исключением взаимных наводок и теплоотвода), то изменение геометрии в антеннах приводит к существенным изменениям их характеристик.

Процессы в антеннах зависят от соотношения между их размером и рабочей длиной волны: для оценок можно принять, что она не должна быть на порядок меньше, иначе ее эффективность будет ничтожно мала. Поскольку в современной радиоэлектронике используются волны с длиной от децимиллиметров до десятков километров, то и конструкции антенн имеют большое разнообразие в зависимости от диапазона и назначения.

По назначению различают антенны для радиовещательных станций, радиосвязи, телевизионные, для радиолокации и радио-телелемеханики, а также для радиоастрономии.

Основными элементами антенн являются, как правило, симметричные или несимметричные вибраторы. Симметричный вибратор (восходящий к Герцу) представляет собой два проводника одинаковой длины (в большинстве случаев в сумме составляющей половину длины волны — полуволновый вибратор), между которыми включается фидер (питающая линия), соединяющая антенну с передатчиком/приемником. Примером такой антенны является простейшая телевизионная антенна, показанная на рис. 27, а.

Рис. 27. Антенны:

а — простейшая телевизионная антенна ( 1 — полуволновой вибратор; 2 — фидер; 3 — подставка; пунктиром показано распределение тока I вдоль вибратора; λ — длина рабочей волны); б — вертикальная КВ-антенна

Вертикальная антенна (рис. 27, б) представляет, по сути, несимметричный вибратор (восходящий к Попову), в ней используется один проводник, подсоединенный к передатчику/приемнику. Один из зажимов последнего соединяется с землей (противовесом).

Важнейшей характеристикой антенн являются их поляризационные параметры. Электромагнитные волны могут иметь различную поляризацию — упорядоченное расположение вектора напряженности электрического поля в пространстве. В линейно поляризованной волне этот вектор при распространении остается параллельным самому себе.

Плоскость, в которой лежит вектор напряженности электрического поля, ориентируют горизонтально по отношению к земле (горизонтальная поляризация) или вертикально (вертикальная поляризация). Например, в системе эфирного телевизионного вещания, принятой в России, используется горизонтальная поляризация, что не трудно увидеть по расположенным горизонтально элементам антенн коллективного пользования, установленным на крышах зданий. Тогда как в США используется вертикальная поляризация, и приемные диполи там, соответственно, ориентированы вертикально.

В качестве фидера в телевизионных антеннах (а также в ряде других случаев) используют коаксиальный кабель. Коаксиальный ВЧ-кабель (рис. 28, а) состоит из центрального многопроволочного медного проводника, окруженного толстой полиэтиленовой оболочкой, одетой в медную оплетку, поверх которой имеется защитная полиэтиленовая оболочка. Внутренний проводник может быть также однопроволочным с изоляцией в виде диэлектрических шайб (рис. 28, б).

Рис. 28. Коаксиальные кабели:

а — с многопроволочным внутренним проводником и сплошной изоляцией; б — с однопроволочным внутренним проводником и изоляцией из диэлектрических шайб; в — ВЧ-разъем; г — компоненты EWB (линии передачи без потерь и с потерями)

Разборное соединение кабеля с отдельными блоками аппаратуры производится с помощью специальных разъемов (рис. 28, в).

Основные характеристики этих кабелей связаны с неискажаемой передачей информации. Кабель должен быть согласован по входу и выходу своим волновым сопротивлением и иметь малое затухание сигнала, а также быть экранированным от внешних электромагнитных наводок. Наиболее распространены кабели с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом.

Свойства передающих антенн выражают через КПД, сопротивления излучения, волновое и входное, характеристику направленности, коэффициент усиления, частотную характеристику и полосу пропускания.

В зависимости от последних факторов различают широкополосные и диапазонные антенны.

Конструкции приемной и передающей антенн могут отличаться, однако их основные характеристики при использовании в другом режиме сохраняются (свойство взаимности), если схемы включения антенны в передатчике и приемнике соответствуют друг другу. Поэтому по многим вышеперечисленным характеристикам передающих антенн можно судить и об антеннах приемных.

Важной характеристикой приемных антенн является их действующая длина (высота) и согласование ее с фидерной линией.

Действующая высота антенны — коэффициент пропорциональности между ЭДС, наведенной в антенне электромагнитной волной, и напряженностью поля при вертикальной поляризации; сопротивление излучения — величина, пропорциональная произведению квадрата отношения действующей высоты антенны к длине рабочей волны.

Большое влияние на работу антенн оказывает земля. Специальное заземление через грозовой переключатель и разрядник обязательно выполняется для наружных антенн с целью предохранения людей, аппаратуры и зданий от проявлений атмосферного электричества во время грозы. Грозоразрядники являются непременным атрибутом коммерческих радиосистем. Любители коротковолновики и ультракоротковолновики также всегда уделяют внимание проблемам грозозащиты. Однако старое «дедовское» отключение входных цепей и питания при приближении грозы — это самый надежный способ. Все-таки, радио родилось от грозы, не дайте ему от нее и погибнуть.

В отличие от приемных либо передающих радиовещательных и телевизионных антенных устройств, антенны для систем связи являются приемопередающими. Отечественные разработчики классифицируют антенны для систем связи на две большие группы. Базовые антенны, устанавливаемые вблизи базовой приемопередающей станции и обеспечивающие максимально возможную зону покрытия. Абонентские антенны, предназначенные для обеспечения устойчивой связи в зоне покрытия базовой станции. Последние могут быть стационарными и мобильными самых разнообразных конструкций (типа волновой канал, спиральные, параболические и т. п.).

В мобильных устройствах связи (радиотелефон и т. п.) используют специальные приемы для уменьшения их габаритов по сравнению с четвертьволновой штыревой антенной с одновременным обеспечением их эффективности. Это добавление удлинительной катушки, т. е. индуктивной катушки, имеющей высокую добротность и элементы настройки, включаемой последовательно с укороченной штыревой антенной. Используется также CLC-катушка — удлинительная катушка, находящаяся не в корпусе и не в основании антенны, а в середине штыря.

Укорочение антенн ДВ и СВ диапазонов, где радиостанции работают с вертикальной поляризацией, производится включением емкостной нагрузки на верхнем конце приемного вертикального диполя. Роль этой емкости выполняет горизонтальная часть Г-образных и Т-образных антенн, проводники в изоляторе «метелочной» антенны или спицы в «колесе», закрепленные на вертикальном шесте, а также верхние части растяжек в «зонтичной» антенне. Вообще антенны представляют сложные и разнообразные конструкции, например, на рис. 29, а показана ромбическая антенна.

Рис. 29. Антенны:

а — ромбическая ( l — сторона ромба; Ф — фидер, соединяющий антенну с передатчиком или приемником: R — резистор); б — типа «волновой канал» ( 1 — кабель питания; 2 — рефлектор; 3 — директоры; 4 — активные вибраторы). Стрелкой показано направление максимальной интенсивности излучения/приема

Для усиления принимаемого сигнала используются многоэлементные антенны (рис. 29, б).

В электрических («проволочных») антеннах (Г-образных, Т-образных, штыревых и т. п.) принимаемый сигнал формируется электрической составляющей электромагнитного поля, а в магнитных — магнитной компонентой.

Магнитная антенна (рис. 30) представляет собой высокочастотный ферритовый стержень (цилиндрический или плоский), на котором располагаются катушки: приемные и связи. Для ДВ и СВ диапазонов ферритовая антенна, реагирующая на магнитную составляющую, перпендикулярную электрической, располагается горизонтально.

Рис. 30. Магнитные антенны:

а — внешний вид; б — УГО

В портативных радиоприемниках магнитная антенна закрепляется обычно под верхней крышкой (т. е. в нормальном положении в горизонтальной плоскости). В связи с направленностью магнитной антенны для увеличения чувствительности приемник (или в ламповых приемниках антенну) вращают вокруг вертикальной оси, добиваясь эффективного приема. Для приема в КВ и УКВ диапазонах используют настраиваемую по длине и углу наклона телескопическую штыревую антенну.

С уменьшением длины волны растет направленность излучения и приема волн, и радиосистемы становятся похожими на оптические. В антенно-фидерных устройствах используют волноводы, делители мощности и другие специальные компоненты. Антенны деци- и сантиметровых волн снабжают рефлекторами: параболическими или сферическими («тарелки»), в фокусе которых помещают приемный или передающий элемент. Применяют также разнообразные рупоры (рис. 31) и специальные линзовые системы.

Рис. 31. Рупорная антенна:

1 — рупор; 2 — питающий радиоволновод. (Направление максимального излучения показано стрелкой)

В заключение этого раздела отметим, что наиболее короткие приемные дипольные антенны созданы сейчас на основе нанотрубок, и их размеры соизмеримы с длинами электромагнитных волн светового диапазона (сотни нанометров). Однако пока не создан соответствующий детектор, а то бы после столетия развития радио мы (по спирали) вернулись бы к детекторному приемнику, но крайне малых размеров и работающему за границами радиодиапазонов.

 

Провода и кабели

Провода и кабели, используемые радиолюбителями в своей практике, условно можно разделить по назначению на пять групп: силовые, монтажные, обмоточные, высокого сопротивления и информационные. Силовые кабели, провода и шнуры используются для обеспечения питания устройств. Поэтому требования к ним исходят из условий передачи необходимой мощности электроэнергии при соблюдении электро- и пожаробезопасности.

В качестве изоляции проводов используют резину, полиэтилен, поливинилхлорид и т. п. материалы. Кабель или шнур содержит несколько токопроводящих жил, изолированных друг от друга и заключенных в общую защитную оболочку.

Токонесущие жилы выполняют в основном из меди и алюминия. Сечение жил измеряют в мм2 и называют «квадратом». Для ориентировки укажем, что при однофазной нагрузке в 1 кВт в бытовой электросети напряжением 220 В ток в отдельном проводе составляет примерно 5 А. Допустимый же длительный ток в отдельном проводе кабеля с медными жилами сечением жил от 1,5 до 6 квадрат соответственно составляет от 23 до 50 А.

Монтажные провода различают по виду жил: с однопроволочной жилой диаметром 0,3…1,8 мм и гибкие провода сечением 0,05…2,5 мм, скрученные из проволок диаметром 0,07…0,3 мм.

Отдельные провода для удобства пайки при монтаже аппаратуры покрывают оловом или оловянным сплавом («луженые» провода).

Изоляция проводов бывает волокнистой (шелк — МШЛ, МГШЛ), эмалево-волокнистой и пластмассовой.

Медные обмоточные провода, используемые в катушках, дросселях, трансформаторах и двигателях, имеют диаметр 0,02…5,2 мм и изоляцию из лакостойкой эмали (ПЭЛ), винефлексированное покрытие (ПЭВ), шелковые и хлопчатобумажные покрытия. Термостойкость проводов составляет в зависимости от вида покрытия 100…200°, но рекомендуется не доводить температуру обмоток выше 80°. Для намоток высокочастотных контурных катушек используют провод, называемый литцендратом. В нем скручено от 7 до 119 отдельных изолированных жил диаметром от 0,07 до 1,22 мм.

Провода с высоким сопротивлением используют для изготовления эталонов сопротивлений, шунтов и добавочных сопротивлений, реостатов и балластных сопротивлений, а также нагревательных приборов. Эти провода изготавливают из сплавов с высоким удельным сопротивлением (манганин, константан, нихром и др.).

Провода могут быть как изолированными, так и не иметь ее («голый провод»).

Информационные шнуры и кабели используются для передачи сигналов. Например, телефонный двухжильный кабель или рассмотренный выше высокочастотный коаксиальный телевизионный антенный кабель.

Для защиты от помех в структурированных кабельных системах (СКС) компьютерных сетей и интерфейсных проводах помимо экранов используют так называемые витые пары из медных изолированных проводов. Один из этих проводов соединяется с «сигнальной землей». (Здесь уместно вспомнить, что на заре электрификации бытовую электропроводку также выполняли скрученным из двух проводов шнуром и, отнюдь, не для борьбы с помехами или «чтобы синус легче бегал по этим изогнутым проводам», как шутили школьники, а для удобства монтажа в помещениях на опорных фарфоровых изоляторах — «роликах».)

В отдельный кабель, как правило, заключают несколько витых пар, имеющих цветовую маркировку (рис. 32, а).

Рис. 32. Кабели СКС :

а — витая пара; б — кабель ВОЛС

Часто в подобных кабелях используют два дополнительных экрана: из фольги и медной оплетки — «кашу маслом не испортишь».

В компьютерной технике межблочные соединения выполняют специальным плоским ленточным кабелем с количеством проводников от 9 до 64.

HI-FI изыски привели аудиогурманов к созданию так называемых «акустических кабелей», состоящих из специально обработанных медных жил, особой чистоты и структуры вытяжки, и даже позолоченных для уменьшения потерь на скин-эффект.

Особую группу составляют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Идея передачи света по специальным каналам просматривается в известном опыте 1870 г. английского физика Дж. Тиндаля, продемонстрировавшего полное внутреннее отражение в параболической струе воды. В середине прошлого века Брайеном О Бриеном, работавшим в американской оптической компании, и Нариндером Капани с коллегами в Имперском научно-технологическом колледже в Лондоне были разработаны волокна для передачи изображения. В 1956 г. Капани ввел термин «волоконная оптика».

После изобретения лазеров ВОЛС начали развиваться очень активно во всем мире.

В ВОЛС сигналы в виде световых импульсов передаются по кабелям, составленным из световодов — тонких цилиндрических волокон сверхчистого кварцевого стекла. Световод имеет две области: сердцевину диаметром 62,5 мкм и оболочку диаметром 125 мкм.

Показатель преломления оболочки выполняют меньшим, по сравнению с показателем преломления сердцевины. В результате большая часть лучей света, попавших от оптоэлектронного источника на торец световода претерпевает на поверхности раздела сердцевина — оболочка полное внутреннее отражение и с очень малыми потерями распространяется вдоль него.

Существуют световоды и с более сложной внутренней структурой. В качестве передаваемого сигнала обычно используется электромагнитное оптическое излучение ближнего инфракрасного диапазона, соответствующее частотам 1014…1015 Гц. Оптический кабель может иметь несущие стальные проволоки и ряд защитных оболочек, а также дополнительно медную витую пару. Количество отдельных волокон может составлять от 4 до 72 (рис. 32, б). Стандартные длины кабелей составляют до 5 км, хотя существуют и трансокеанские ВОЛС в 50 км. Сварка оптических кабелей производится на специальных аппаратах и значительно сложнее пайки или сварки медных проводов.

В заключение этой беглой экскурсии по проводам да кабелям напомню один анекдотический случай, чуть не приведший к катастрофе. В некоторой стране N готовились к постройке ядерного реактора. Заказали урановые блоки в нужном количестве. Снабженцы стали доставлять и складировать их, как обычные ящики. При штабелировании очередной партии узрели небольшой дымок и позвали физиков. Те схватились за голову и немедленно бросились растаскивать блоки в разные стороны. Еще чуть-чуть и набралась бы критическая масса для взрыва. Применяя провода, не уподобляйтесь этим «горе-снабженцам», а задумывайтесь: «что, для чего и почему».

 

Соединители и разъемы

Существуют самые разнообразные способы и устройства, с помощью которых осуществляется соединение электронной аппаратуры с источниками питания и сигналов, отдельных блоков между собой, соединения с выходными устройствами и т. п. Если отбросить вульгарную «скрутку» проводников, то первые соединители и разъемы появились на физических приборах в виде клемм и специальных наконечников на проводах (рис. 33, а).

Рис. 33. Электрические соединители:

а — наконечники; б , в — клеммники; г — УГО разъемного соединения; д — розетка; е — вилка; ж - панелька для микросхемы

Для соединения проводников широко используют разнообразные клеммники (рис. 33, б, в).

Электрическая вилка (штепсель) и розетка являются простейшим примером силового разъема; в мобильных устройствах штепсельный разъем может выполняться на концах кабелей (рис. 33, д, е).

Другим широко используемым ВЧ-разъемом являются штеккер и гнездо для телевизионной антенны (см. рис. 28, в).

В зависимости от области применения к конструкциям соединителей предъявляются разные требования, и они изготавливаются соответствующим образом.

Условно соединители или разъемы можно разделить на электротехнические (силовые, сильноточные) и радиотехнические (слаботочные, сигнальные, связные). К первым предъявляется требование передачи необходимой мощности, а ко вторым — отсутствие искажений в передаваемом сигнале. Различие между первыми и вторыми растет по мере увеличения мощности и частоты сигнала.

Соединители (или разъемы) имеют изоляционные основания, на которых закрепляются штыри (ножи) и гнезда, образующие контактные пары. Разъемы отличаются числом контактных пар, их конфигурацией и площадью, геометрическим расположением в пространстве, типом изолятора, способами крепления и фиксации и т. п. Преобладающими формами соединителей являются цилиндрические и плоские (рис. 33, ж). Поверхности ВЧ-разъемов для обеспечения малого сопротивления покрывают серебром и золотом. Для того чтобы обезопасить выход аппаратуры из строя («защита от дурака»), разъемы каждого типа часто имеют свои характерные ключи, например, вырезы в разъеме материнской платы персонального компьютера.

Специальные типы разъемов используют в ВОЛС. Они отличаются прецизионной точностью сочленения (рис. 34).

Рис. 34. Оптоволоконные разъемы

В электроосветительной аппаратуре используют разъем типа цоколь — патрон, а в радиоустройствах — цоколь на радиолампе и панельку на шасси. Разъемы специального типа (слоты) используют в компьютерном «железе».

Для обеспечения электрического контакта с подвижными токовводами (например, с коллектором электродвигателя), используют специальные углеграфитовые щетки.

Любые разъемы достаточно часто являются источником отказов в работе аппаратуры и требуют поэтому повышенного внимания при выборе и эксплуатации.

 

Электрорадиоматериалы и изделия

Электроизоляционные материалы и изделия

Использование электричества немыслимо без применения не только проводников, но и изоляторов. Разнообразные диэлектрики, начиная от природного янтаря, от которого У. Гильберт в 1600 г. произвел термин «электричество», и, кончая самыми мудреными композитными материалами, на протяжении веков сопровождают развитие электротехники, электроники и радиотехники.

По своей физической природе электроизоляционные материалы относятся к диэлектрикам, поэтому при их использовании надо руководствоваться соответствием их функционального назначения и соответствующих свойств.

В силовых системах электроснабжения изоляционные материалы обеспечивают электрическую изоляцию устройств и их отдельных частей и защиту от внешних воздействий, поэтому основными характеристиками служат: электрическая и механическая прочность, термо- и влагостойкость.

В высокочастотных цепях важна диэлектрическая проницаемость и потери энергии на нагрев («тангенс угла диэлектрических потерь»). Косвенно важны старение и другие показатели.

На бытовом уровне к наиболее ходовым электроизоляционным материалом относятся различные изоляционные ленты. Лента электроизоляционная прорезиненная липкая представляет собой хлопчатобумажную ткань, на поверхность которой нанесена липкая резиновая смесь. Лента изоляционная поливинилхлоридная липкая марки ПВХ изготовляется на основе светотермостойкого изоляционного пластиката, на одну сторону которого нанесен липкий состав. Существуют также ленты термостойкие, лакотканевые и киперные.

Полихлорвиниловые трубки могут заменять изоляционную ленту для защиты отдельных проводов или жгутов проводов при их вводе в корпуса аппаратов, двигателей, в металлические трубы. В последнее время появились специальные термоусадочные трубки.

В радиолюбительской практике находят применение и другие изоляционные материалы: прокладочный картон (толщиной от 0,3 до 2,5 мм), картон асбестовый, асбестовые нити и шнуры, слюда, а также разнообразные высокополимерные твердые материалы (полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт, органическое стекло и др.). По-прежнему широко используются гетинакс, текстолит, изделия из керамики, фарфора, радиофарфора и карболита. Термопласты (например, полиэтилен) позволяют после нагрева придавать изделиям определенную форму, а реактопласты формовать их в процессе полимеризации.

Соединения изоляционных изделий производят склеиванием и сваркой. Популярными народными средствами являются клеи БФ и «Момент», а также эпоксидные компаунды и разнообразные лаки.

Магнитные материалы и изделия

Все магнитные материалы подразделяют на два класса.

Магнитно-мягкие материалы обладают большой магнитной проницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. К подобным материалам относят листовую электротехническую сталь, железоникелевые сплавы (пермаллой), магнитодиэлектрики (например, карбонильное железо) и высокочастотные ферриты. Эти материалы применяют в сердечниках трансформаторов, электродвигателей, реле и индуктивных катушек. Ферриты используют также для «магнитных антенн» радиоприемников.

Магнитно-твердые материалы имеют большую коэрцитивную силу и способны длительное время сохранять свое намагничивание. Именно это их свойство, а также способность притягивать железные предметы и привели человечество к открытию ферромагнетиков и исследованиям магнитных явлений. Магнитно-твердые материалы классифицируют по способу их получения.

Литые материалы получают на основе сплавов Fe-Ni-AI и Fe-Ni-AI–Co, легированных медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами.

Порошковые материалы получают путем прессования и спекания различных порошков, например ферритов бария и кобальта.

Магнитно-твердые материалы широко используют для изготовления постоянных магнитов динамических головок, измерительных приборов, в электродвигателях, устройствах магнитной памяти.

Печатные платы

Внимательное изучение поверхности платы с лупой позволило заметить тоненькое замыкание шириной 0,08 мм, образовавшееся в результате того, что на фотошаблон упал волос.

Роберт А. Пиз

По мере роста интеграции компонентов в микроэлектронике, когда отдельные функциональные блоки устройств в виде интегральных микросхем в устройстве стали миниатюрными и уменьшились напряжения и токи их питания, старые способы проводного монтажа стали бессмысленны. Произошел переход к печатному монтажу, в основу которого была положена печатная плата.

Свое название печатная плата получила по первоначальному процессу изготовления путем печати фотошаблонов. В настоящее время подобные платы изготавливают травлением, но название сохранилось.

Плата является пластиной из электроизоляционного материала (стеклотекстолита или гетинакса) с поверхностным слоем фольги, которой травлением придан рисунок необходимых соединений выводов компонентов. В плате выполняются отверстия для крепления компонентов и контактные площадки для крепления и пайки деталей (рис. 35).

Рис. 35. Печатные и макетные платы

Платы могут быть одно- и двухсторонними, а также многослойными. Соединительные проводники из тонкой медной фольги, остающиеся после травления, называют дорожками. В конечном счете, проводящий рисунок из дорожек и контактных площадок представляет собой своеобразную монтажную электрическую схему устройства. Таким образом, печатная плата несет двойную функцию, играя роль универсального межкомпонентного соединителя и, одновременно, несущей конструкции для навесных компонентов, разъемов и т. п. деталей.

Опытные радиолюбители самостоятельно разрабатывают разводки печатных плат и изготавливают их. В литературе имеется на этот счет множество полезных рекомендаций. Однако следует отметить, что разработка рисунка (по научному — топологии) разводки проводников и размещения компонентов на плате является даже для сравнительно простых устройств не простой задачей. Дело в том, что при этом необходимо учесть множество самых разных факторов: минимизация длины дорожек, отсутствие их пересечения на одной плоскости, взаимные электромагнитные наводки, теплоотвод и т. д.

В профессиональной деятельности для этих целей используются специальные компьютерные программы автоматизированного проектирования. Процесс нанесения фотошаблона, например на лазерном принтере, конечно, не так сложен, но вот последующее химическое травление требует большой аккуратности и терпения. Поэтому начинающим радиолюбителям рекомендуется на первых порах ограничиться более простыми макетными платами, на которых закрепляются компоненты, а соединения выполняется тонкими проводниками, или готовыми печатными платами.

Радиаторы охлаждения

Держи ноги в тепле, а голову (и приборы) на холоде…

Роберт А. Пиз

На транзисторе должна рассеиваться мощность…

Не пытайтесь убедиться в этом, если вы не готовы к последствиям! Выделяющегося тепла достаточно, чтобы за очень короткое время испортить устройство (и обжечь палец).

Дж. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств

Работа электронных устройств с неизбежностью приводит к их нагреву вследствие потерь при протекании тока, поглощения переменных высокочастотных полей и других факторов. В то же время многие характеристики компонентов сильно зависят от температуры. Поэтому на практике принимают меры, не только уменьшая рабочие токи и применяя специальные материалы, но и непосредственно по их охлаждению.

Тепло от нагретого тела может отводиться излучением, теплопроводностью и конвекцией. В любом случае развитие охлаждающей поверхности существенно увеличивает теплоотдачу.

Наиболее простой прием заключается в использовании специальных радиаторов, закрепляемых на соответствующих компонентах.

Радиаторы изготавливают из легких сплавов, снабжая их большим числом разнообразных ребер, увеличивающих теплоотдачу в окружающий воздух за счет конвекции (естественной) и вынужденной (обдув). Кроме того, внешнюю поверхность радиаторов зачерняют для увеличения теплового излучения. В теле радиаторов выполняют посадочные поверхности, сопрягаемые с соответствующими корпусами компонентов: диодов, транзисторов и интегральных схем (рис. 36).

Рис. 36. Радиаторы охлаждения

Основным параметром радиаторов является так называемое «тепловое сопротивление». Это «сопротивление» вводится из аналогии процессов теплопроводности и электропроводности. В рассматриваемом случае причиной передачи тепла выступает разность температур (аналог разности потенциалов) между нагретым телом и окружающей средой (измеряется в градусах), а следствием (аналогом электрического тока) — тепловой поток (измеряется в ваттах). Деля количественную меру причины на количественную меру следствия, получаем количественную меру теплового сопротивления в град/Вт.

Выпускаются радиаторы малой мощности с тепловым сопротивлением от 4 до 10 град/Вт, средней — от 2 до 4 град/Вт, большой мощности — от 2 до 1 град/Вт и очень большой, для которых оно меньше.

Необходимо иметь в виду, что дополнительный обдув радиаторов потоком воздуха от вентилятора сильно снижает величину теплового сопротивления.

Поскольку радиаторы выполняют из металла, то в случае, если корпус компонента не должен заземляться, между ним и радиатором вводят проводник тепла, обладающий электроизоляционными свойствами: слюда, окись алюминия или специальная термическая смазка (компаунд). Смазки приготовляют из смесей окиси бериллия, нитрита бора, силиконового каучука и стекловолокна. Смазки имеют тепловые сопротивления от 0,1 до 0,45 град/Вт. Тепловое сопротивление смазки и радиатора в процессе теплопередачи включаются последовательно (складываются).

Смазку обязательно используют, например, при фиксации радиатора с микровентилятором на центральном процессоре компьютера.

Корпуса и механические детали

Конструирование электронной аппаратуры требует мастерства, а мастерство, как известно, приходит с опытом.

Дж. Кар. «Проектирование и изготовление электронной аппаратуры»

Всякая аппаратура и устройства, за исключением макетных плат, обычно заключаются в тот или иной корпус. Основное назначение корпуса: сборка всех блоков в одно целое, механическая и иная защита устройства, размещение органов управления, контроля и интерфейсных входов и выходов и т. п. Кроме этого, корпус может иметь и дополнительные функции: акустического элемента, электромагнитного экрана и др. От корпуса зависит эргономика (удобство обращения) и эстетическое восприятие всей конструкции.

Радиолюбители зачастую корпуса изготовляют самостоятельно на свой вкус. Можно воспользоваться и готовыми изделиями и доработать их под свое устройство: «довести до ума». Когда-то в ходу были пластмассовые мыльницы, используемые для корпусов первых транзисторных радиоприемников. Теперь для своей самоделки можно подобрать подходящий стандартный корпус.

Стандартные корпуса изготовляют из тонкостенных (0,8 мм) материалов: стали, алюминия и различных пластмасс. Корпуса могут иметь различные покрытия и отделку, в них также имеются разнообразные функциональные отверстия, сборочные и технологические закладные крепежные элементы (рис. 37).

Рис. 37. Пластиковые корпуса